2 Экспериментальная установка

Рассмотрим однородную пластину (рис.1), длина которой равна, а площадь поперечного сечения −. На левом и правом основаниях пластины поддерживаются постоянные температурыи(), а температура изменяется только вдоль осиx.

Если пластина имеет постоянный коэффициент теплопроводности , то в соответствии с законом Фурье (1) за промежуток временичерез произвольное поперечное сечение пластины будет проходить количество теплоты

Выразим из этой формулы коэффициент теплопроводности :

,

где плотность теплового потока, Вт/м².

Как видно из этой формулы, коэффициент теплопроводности можно определить экспериментально, если известны длина пластины, разность температур на ее концахи плотность теплового потокачерез поперечное сечение пластины.

Измерительный модуль для экспериментального определения коэффициентов теплопроводности металлов изображен на рисунке 2. Исследуемые образцы металлов в виде пластин 1 закрепляются на нагревателе 5 и радиаторе 2 с помощью винтов 7 и гаек 6. Внутри винтов расположены датчики температуры для измерения температур ив двух точках образца, находящихся на расстояниимм друг от друга. Радиатор охлаждается установленным внутри него вентилятором. Все элементы модуля установлены на основании 3.

Нагреватель, вентилятор и датчики температуры через разъем 4 посредством кабеля подключаются к разъему 2 измерительного прибора ИСТ-4К, фрагмент передней панели которого изображен на рисунке 3.

Этот прибор работает от электрической сети напряжением 220 В. Его включение производится с помощью тумблера 1. О включении прибора свидетельствует свечение 4-разрядного цифрового индикатора 4. Регулятор напряжения 6 позволят варьировать напряжение, подаваемое на нагреватель измерительного модуля. Включение нагревателя производится с помощью тумблера 7, при этом автоматически включается вентилятор в радиаторе.

Переключатель 3 позволяет устанавливать режимы измерения температуры t₁ на горячем конце пластины, температуры t₂ на холодном конце пластины, силы тока I₁ в нагревателе и напряжения U₁ на нагревателе. Температура измеряется в °С с разрешением 0,1 °С, сила тока − в миллиамперах, напряжение – в вольтах.

Регулятор 5 с индикаторами позволяет устанавливать требуемую температуру нагревателя. Если температура нагревателя меньше заданной, то светится зеленый индикатор, а если температура нагревателя больше заданной, то светится красный индикатор. В установившемся режиме светятся оба индикатора.

3 Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

1 ознакомиться с устройством экспериментальной установки, записать перечень приборов и принадлежностей и их характеристики в отчет о лабораторной работе.

2 С помощью штангенциркуля измерить толщину h и ширину b металлического образца, выданного преподавателем, рассчитать площадь S его поперечного сечения. Результаты записать в таблицу 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Материал образца	l	h	b	S

3 Закрепить исследуемый образец на нагревателе и радиаторе. Подсоединить измерительный модуль к прибору ИСТ-4К с помощью кабеля и подключить прибор к электрической сети.

4 Включить нагреватель, установив регулятором 6 напряжение в диапазоне 12-18 В.

5 Регулятором температуры 5 задать температуру 70 °С. Требуемая температура установится через 15-20 минут, при этом будут гореть и зеленый и красный индикаторы.

6 Измерить температуры t₁ и t₂, силу тока I₁ и напряжение U₁. Повторить измерение этих величин не менее четырех раз с промежутком времени в две минуты. Полученные данные записать в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты измерений

Номер опыта	….…; ..…..;….…;….…
	t1	t2	I1	U1	P1	q	

7 Для оценки тепловых потерь снять металлический образец и установить на нагреватель алюминиевую калибровочную шайбу диаметром 30 мм и толщиной 5 мм. Не меняя положение регулятора температуры 5, установить регулятором 6 напряжение в диапазоне 5-10 В. Через 5-10 минут измерить температуру , силу токаи напряжение.

8 Рассчитать мощность нагревателя для всех опытов по формуле

.

9 Рассчитать потери мощности в окружающую среду:

.

10 Для каждого из опытов определить плотность теплового потока через поперечное сечение образца по формуле

и рассчитать коэффициент теплопроводности:

.

11 Найти среднее арифметическое полученных значений коэффициента теплопроводности.

12 Проанализировать поученные результаты, сравнив их со справочными данными, приведенными в таблице А.1 приложений.