ZČU Plzeň, Katedra fyziky

Fyzikální praktikum

Název úlohy:

Měření tepelné vodivosti

Obecná část:

Molekuly, ionty a volné elektrony mají v teplejších částech trvale větší kinetickou energii než částice v chladnějších místech. Ustálené vedení tepla – přenos energie z teplé části do studené => vzniká časově stálý teplotní spád.

Teplo : Q =l*S*t*(t1-t2)/l - je přímo úměrné ploše S , teplotnímu rozdílu t1-t2 a době

- nepřímo úměrné tloušťce desky l

Tepelná vodivost l udává množství tepla, které projde za jednotku doby krychlí o jednotkové hraně mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 °C, jsou –li ostatní stěny krychle dokonale tepelně izolovány.

[l] = J/m/s/K = W/m/K

Termočlánek – v nejjednodušším případě 2 dráty ( různý materiál ) pevně spojené ( např. sletování )

Spojíme – li volné konce drátů přes digitální multimetr, pak tímto obvodem začne procházet el. proud, jestliže volné konce budou mít jinou teplotu než spoj, tento prou je způsobený termoel. silami, vznikající ze dvou příčin. Především je zřejmé, pokud budou konce drátu na teplotách t2 > t1, že bude vznikat uvnitř drátu i difúze volných elektronů. Následkem toho vznikne spád potenciálu, který je charakteristický pro daný materiál. Obecně je i vzniklý potenciální rozdíl pro každý materiál jiný, takže v uzavřeném obvodu vznikne termoel. síla rovná rozdílu těchto napětí. Druhou příčinou je závislost kontaktního rozdílu potenciálů na teplotě. Kontaktní rozdíl potenciálů vzniká při spojení dvou kovů, které mají různé výstupní práce elektronů, neboť potom elektrony kovu, který má menší výstupní práci než druhý, mohou přecházet do druhého kovu. Na prvním kovu vznikne kladný náboj, druhý kov se nabije záporně.

Měření:

Měřící pomůcky:

1. střídavý zdroj s autotransformátorem

2. el.mag. míchačka 58222nri24lug7v

3. skleněná kádinka s olejem

4. zařízení k měření tepelné vodivosti ( tři zkušební válečky z různých kovových materiálů )

5. digitální multimetr V 553

6. dvojice termočlánků ru222n8524luug

7. teploměr

8. kalorimetr pro chladící lázeň ( směs vody a ledu )

9. apérmetr

10. multimetr UNI 11E

Nejprve je třeba okalibrovat použitý termočlánek, tzn. Určit jednoznačný stav mezi rozdílem teplot obou spojů a odpovídající termoel. silou. Grafickým znázorněním této závislosti je kalibrační křivka.

Kalibrace termočlánku

Na elektrický vařič s el. mag. míchačkou jsme dali kádinku s vychlazeným olejem. Do ní jsme dáli čidlo teploměru, na němž je jeden konec termočlánku. K termočlánku jsme připojili dig.multimetr. Zapli jsme míchání a ohřev na vařiči. Počkali až bude termoel. napětí nulové,a pak jsme hodnoty začali zapisovat do tabulky. Rozdíly termoel.napětí jsme odečítali vždy při zvýšení teploty oleje o 1ˇC až do teplotního rozdílu 15 ˇC. Z této tabulky jsme sestrojili graf (kalibrační křivka ) termoel.napětí = f( teplotní rozdíl). Tato závislost nám pomohla určit teplotní rozdíly v další části měření.

Měření tepelné vodivosti

Jako první jsme měřili tepelnou vodivost hliníku.

Hliníkovou tyčinku ( tělísko) jsme ponořili do vody s ledem. Vzorek jsme vyhřívali při napětí 3 V, které jsme nastavili pomocí autotransformátoru. Na ampérmetru, připojeném na topný článek jsme odečetli velikost proudu.

Na multimetru jsme odečítali velikost termoel.napětí do té doby než se ustálilo, vždy po jedné minutě. Hodnoty jsme zaznamenávali do tabulky. Poté jsme podle velikosti termoel.napětí odečetli z kalibrační křivky teplotní rozdíl ta – tb.

Pozn. Ze začátku po dobu 3 minut jsme tělísko vytápěli vyšším výkonem při napětí 6 V, abychom rychleji dosáhli ustáleného stavu.

Pro mosazné a měděné tělísko probíhalo měření stejně.

Velikost procházejícího proudu byla ve všech případech 0,31 A.

Zpracování výsledků:

Absolutní chyby

Hliník

l = 133,11 ± 11,18 [W m^-1 K^-1]

Mosaz

l = 91,83 ± 7,81 [W m^-1 K^-1]

Měď

l = 215,40 ± 18,74 [W m^-1 K^-1]

Závěr:

Z výsledků vyplývá, že nejvyšší tepelnou vodivost má měď. Od tabulkových hodnot se námi naměřené liší zřejmě v důsledku chyby při odečítání z digitálního multimetru.