Исследование зависимости теплопроводности твердых тел от температуры: Методические указания к лабораторной работе № 1 по дисциплине «Теплофизика»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Комсомольский-на-Амуре государственный технический

университет

Кафедра «Машины и технология литейного производства»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания к лабораторной работе 1 по дисциплине        «ТЕПЛОФИЗИКА»

Комсомольск-на-Амуре 2006

УДК 536.2.621.74

Исследование зависимости теплопроводности твердых тел от температуры:  Методические указания к лабораторной работе 1 по дисциплине “ Теория тепловых процессов “ / Сост. Б.М. Соболев.- Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун.-т, 2006.- 17 с.

Приведена методика измерения теплопроводности, описано устройство прибора, изложена методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных.

Рекомендуются для студентов специальности 150101, 150106 дневной и заочной форм обучения.

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Согласовано со службой стандартизации.

Цель работы: определить температурную зависимость теплопроводности твердых, механически обрабатываемых материалов в режиме монотонного нагрева.

Оборудование и материалы: измеритель теплопроводности      ИТ-l-400, весы лабораторные, штангенциркуль, образцы из меди, органического стекла, огнеупорных материалов, смазка марки ПФМС-4, графитовый порошок, алюминиевая пудра ГОСТ 5494-71Е, бензин ГОСТ 8505-80.

1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Теплопроводность материалов - перенос тепла, обусловленный наличием в материале градиента потенциала переноса. Под градиентом потенциала переноса чаще всего подразумевают градиент температуры, иногда - градиент концентрации компонентов и др. Наряду с конвекцией и излучением, теплопроводность является одним из способов передачи тепла. Теплопроводность в металлах объясняется движением и взаимодействием электронов зоны проводимости и условно представляется суммой электронной и решеточной теплопроводности материалов (l=l_эл +l_реш ). Электронная  теплопроводность (которая обусловлена движением электронов) преобладает при высоких температурах и описывается уравнением l_эл /sT=(p ²/3) (k / e)², где s - электропроводность; Т- абсолютная температура; k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона. Решеточная теплопроводность (обусловленная коллективными колебаниями атомов кристаллической решетки)  описывается уравнением l_реш=1/3 с_v rvl, где с_v - теплоемкость при постоянном объеме; r - плотность материала; v- средняя скорость распространения фононов (квантов поля колебаний кристаллической решетки); l - средняя длина пробега фононов. В металлах суммарная теплопроводность при низких температурах увеличивается с ростом температуры, а при высоких убывает, асимптотически приближаясь к некоторому постоянному значению, равному электронной теплопроводности. Такая закономерность объясняется уменьшением решеточной теплопроводности материалов с ростом температуры (l_реш = const/ T), поскольку с_v  при высоких температурах постоянна, rи v зависят от температуры незначительно, а l ~ 1/Т. При Т ® 0 рассеяние на фононах мало, поэтому l_эл~sT. Если температура выше дебаевской, l_эл® const. (рисунок 1, кривая 1). Теплопроводность электроизоляционных материалов при Т ® 0 стремится к нулю (как и теплопроводность металлов). С возрастанием температуры теплопроводность материалов растет пропорционально Т ³ (ибо так изменяется теплоемкость). Если Т < q_D /20 (q_D- дебаевская температура), составляющая фононной теплопроводности материалов сказывается на изменении суммарной теплопроводности  незначительно, поскольку длина свободного пробега фононов становится постоянной величиной, равной размеру кристалла. С дальнейшим повышением температуры в интервале (q_D /20) < Т < q_D  величина свободного пробега фононов резко убывает, в результате чего теплопроводность материалов уменьшается. Если  Т > q_D ,  теплопроводность материалов обратно пропорциональна температуре (рисунок1, кривая 2).

Рис. 1 -  Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры:

1 — металлов; 2 — диэлектриков.