Явление теплопроводности представляет собой процесс переноса тепла, обусловленный беспорядочным движением молекул. Для переноса тепла в любом веществе необходимо и достаточно существования в нем областей с разными температурами, т.е. наличие неоднородностей в температурном поле. Температура, в этом случае, будет являться функцией пространственных координат. Мерой неоднородностей в температурном поле служит градиент температуры grad T. Он определяется как вектор, направленный в данной точке по нормали к изотермической поверхности (поверхности одинаковой температуры) в сторону возрастания температуры. Для малых изменений вдоль одной из координатных осей (рассмотрим одномерный случай) величина ½grad T ½ равна и характеризует изменение температуры на единицу длины по направлению нормали к изотермической поверхности в данной точке:
, (1)
где - единичный вектор нормали.
Для количественной характеристики переноса тепла вводится понятие вектора плотности потока тепла . Направлен он по нормали к изотермической поверхности в данной точке, а величина его равна количеству тепла, протекающему через единицу площади изотермической поверхности (в окрестности данной точки) в единицу времени.
|
|
Опытный закон Фурье утверждает, что вектор плотности потока тепла пропорционален градиенту температуры:
= - l grad T(2)
Коэффициент пропорциональности l называется коэффициентом теплопроводности вещества. Знак минус учитывает тот факт, что поток тепла направлен против градиента температуры, т.е. тепло переносится в сторону уменьшения температуры. С учетом определения градиента (1) закон Фурье (2) принимает вид:
(3)
Одним из наиболее распространенных методов измерения коэффициента теплопроводности газов является метод нагретой нити. Исследуемый газ находится в цилиндрической трубке, по оси которой натянута проволока из вольфрама, служащая одновременно источником тепла и термометром сопротивления. Вся наружная поверхность трубки поддерживается при одинаковой и постоянной температуре, а через проволоку пропускается электрический ток. В случае длинных трубки и проволоки (их длина должна быть много больше радиуса трубки) из соображений симметрии следует, что изотермическими поверхностями в газе будут цилиндрические поверхности (радиус основания r) с общей осью - осью проволоки. Направление нормали к этим поверхностям есть, очевидно, радиальное направление.
Через любую такую цилиндрическую поверхность за время dt пройдет количество тепла равное:
(4)
где L - длина цилиндрической трубки.
Мощность теплового потока P определяется как:
|
|
(5)
Разделив в этом выражении переменные и проинтегрировав его, получаем:
(6)
где r1 - внутренний радиус трубки, T1- температура газа у внутренней поверхности трубки; r2 - радиус вольфрамовой проволоки, T2 - ее температура.
Тогда для коэффициента теплопроводности имеем следующее выражение:
(7)
Для стационарного процесса P = const. В установившемся режиме, т. е. когда газ в каждой точке уже прогрелся до постоянной температуры T(r), можно принять, что все тепло, выделяющееся в проволоке при прохождении по ней электрического тока, переносится за счёт теплопроводности к стенке трубки. Постоянная тепловая мощность, выделяемая на проволоке:
P = UП I,
где UП и I- падение напряжения на вольфрамовой проволоке и ток, протекающий по ней.
Таким образом, чтобы определить коэффициент теплопроводности, надо знать: а) количество тепла, переносимое от проволоки к стенке трубки в единицу времени; б) разность температур между слоями газа, непосредственно прилегающими к поверхностям проволоки и трубки; в) размеры проволоки и трубки. За температуру стенки трубки T1, принимают температуру воздуха, в котором трубка находится и которая измеряется термометром. Температуру проволоки T2 можно определить, измерив изменение электрического сопротивления при её нагревании. Действительно, в области используемых температур сопротивление проволоки растет с температурой по линейному закону:
R = R0(1+aTT), (8)
где R0 - сопротивление проволоки при температуре равной 273,2 К, R - ее сопротивление при температуре Т, aТ - температурный коэффициент сопротивления.
Измерив сопротивление проволоки R1 до ее нагревания, т.е. при Т1, а затем сопротивление R2 после ее нагревании до температуры Т2 получим:
(9)
Таким образом, определяя на основании (9) температуру нагретой проволоки и подставляя ее значения в (7), можем вычислить значение l, соответствующее этой температуре.
Рассмотрим некоторые источники систематических погрешностей, которые возникают при проведении эксперимента.
Во-первых, концы проволоки поддерживаются при температуре, близкой к комнатной T1. Поэтому, вследствие теплопроводности металла по всей длине проволоки устанавливается распределение температур, показанное на рис. 1.
Тпр Т2 Т1 L L1 L2 Рис.1 |
Утечку тепла через концы проволоки можно учесть опытным путем, используя не одну проволоку, а две из одинакового материала, но различной длины. В настоящей работе будем считать, что температура постоянна по всей длине проволоки.
Во-вторых, тепловое излучение поверхности нагретой нити является дополнительным, наряду с теплопроводностью, механизмом переноса тепла от нити в окружающую среду. Для оценки количества тепла, отдаваемого проволокой за счет излучения, можно воспользоваться законом Стефана-Больцмана, по которому с единицы поверхности абсолютно черного тела за единицу времени излучается энергия:
Re=s T4, (10)
где Т- температура абсолютно черного тела, s - постоянная Стефана –Больцмана равная 5,735 × 10 - 12 Вт/(м2 град4).
Любое тело, которое не является абсолютно черным, при той же температуре излучает меньшую энергию:
Rc=As T4 , (11)
где А - поглощательная способность тела. Для всех тел А<1 (для вольфрама А= 0,4). Если Т2 - температура нагретой проволоки, Т1 - температура стенки трубки и если считать, что все излучение проволоки попадает на стенку трубки, то, энергия в единицу времени отдаваемая через излучение, будет определяться:
Wизл = АSs (), (12)
где S - площадь поверхности проволоки.