Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепла внутри неподвижных тел при непосредственном соприкосновении частиц тела, имеющих различные температуры. Она обусловлена движением микрочастиц вещества.
Механизм переноса тепла зависит от природы тела: в твердых телах теплопроводность связана с электронной проводимостью, объясняемой движением свободных электронов и, так называемой, ионной проводимостью, обусловленной тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Вклад указанных проводимостей в различных телах различен.
Для большинства металлов ионная проводимость пренебрежительно мала по сравнению с переносом за счет движения свободных электронов, тепловая скорость движения которых очень велика. Поэтому металлы являются лучшими проводниками теплоты по сравнению с другими телами.
Для расчета процессов стационарной теплопроводности используется
закон Ж. Фурье, который устанавливает связь между количеством тепла Q, проходящим через изотермическую площадку F, и температурным градиентом
grad t :
Вт (6.1)
Здесь λ – коэффициент пропорциональности (коэффициент теплопроводности),
Вт / (м·град); характеризует способность вещества проводить тепло и
численно равен количеству тепла, проходящему через единичную
изотермическую площадку, нормальную тепловому потоку, в единицу
времени при градиенте температуры в 1 град/м;
F – поверхность нагрева, м
;
grad t – градиент температуры (векторная величина, характеризующая
скорость возрастания температуры в пространстве и направленная по
нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания
температуры):
За положительное направление градиента принимается направление возрастания температуры.
Знак минус в уравнении (6.1) указывает на то, что температурный градиент и тепловой поток направлены в противоположные стороны.
Решение уравнения (6.1) при стационарном температурном поле для тел простой геометрической формы позволяет найти коэффициент теплопроводности из соотношения:
(6.2)
Коэффициент теплопроводности металлов и сплавов определяется опытным путём.
В основном у чистых металлов коэффициент теплопроводности линейно снижается при повышении температуры. Напротив, у сплавов коэффициент теплопроводности при повышении температуры увеличивается. В целом, коэффициент теплопроводности металлов изменяется от 3 до 418 Вт / (м·град).
Из уравнения (6.2) следует,
что стационарный метод измерения коэффициента теплопроводности основывается на
измерении плотности теплового потока q, Вт/м, проходящего через
опытный образец, и
градиента температуры в нем.
Для технических расчётов значения коэффициентов теплопроводности металлов и сплавов принимаются по справочным таблицам, полученным на основе экспериментальных данных.
2. Схема лабораторной установки
Установка для экспериментального определения коэффициента теплопроводности (рис.6.1) состоит из медного стержня 1 длиной 300 мм и диаметром d = 15 мм.
Стержень нагревается с одного конца электронагревателем 2 и охлаждается с другой стороны потоком воды, что обеспечивает прохождение теплового потока вдоль стержня. Расход охлаждающей воды регулируется вентилем 3.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.