Теоретическое введение. Измерение теплопроводности твердых тел

Лабораторная работа №21

Измерение теплопроводности твердых тел

Цель работы: Определение коэффициента теплопроводности твердых тел.

Теоретическое введение

Если в разных точках тела температура различная, то энергия теплового движения микрочастиц (атомов, молекул, электронов) переносится в направлении уменьшения температуры, что ведет к выравниванию температур внутри тела. При этом в отличие от жидкостей и газов, не может возникнуть конвенция, т.е. перемещение массы вещества вместе с энергией. Теплопередача в твердом теле осуществляется за счет теплопроводности – переноса энергии от более нагретого к менее нагретому участку в результате теплового движения микрочастиц.

Атомы и ионы в узлах кристаллической решетки твердого тела совершают колебания, интенсивность которых зависит от температуры. Колебания передаются от одних частиц к другим с различными скоростями, что сопровождается переносом энергии их теплового движения. В теплопроводности проводников участвуют еще и свободные электроны, что объясняет известную закономерность: вещества с высокой электропроводностью имеют большую теплопроводность. Из опыта известно, что энергия теплового движения dQ, которая переносится вследствие теплопроводности через слой толщиной dx, площадью S при разности температур на границах слоя dT за время , определяется законом Фурье:

где - градиент температуры, численно равный изменению температуры, отнесенной к единице длины в направлении переноса энергии.

Знак «минус» указывает на то, что поток энергии направлен в сторону уменьшения температуры.

К – теплопроводность(или коэффициент теплопроводности) – константа вещества, численно равная энергии теплового движения микрочастиц, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Если образец (рис. 1), толщиной х, площадью S поместить на поверхность нагревателя с постоянной температурой T_n, то через некоторое время установится стационарное состояние при котором

Рис. 1

и закон Фурье можно представить в виде:

(1)