آزمایش هدایت حرارتی جامدات

هدف: بدست آوردن ضریب هدایت حرارتی یک جسم جامد

مقدمه: انتقال حرارت به سه روش انجام می‌پذیرد: ۱- هدایت ۲- همرفت ۳- تشعشع.

هدایت حرارتی با رسانش در جامدات اتفاق می‌افتد و نظریه مولکولی اجسام در هدایت بر این این اساس است که مولکول‌های اجسام از جمله جامدات در فاصله کم یا زیاد حرکتی رفت و برگشتی دارند در جامدات فاصله متوسط حرکت هر موکلول یک حد خاصی دارد که توسط مولکول‌های مجاور آن مشخص شده است یعنی حرکت رفت و برگشتی یا ارتعاشی بسیار خفیف، انرژی حرارتی که به یک جسم تعلق می‌گیرد انرژی جنبشی ناشی از ارتعاش مولکول‌ها و یا سرعت ملکول‌های آنست. زمانی که به یک جسم انرژی حرارتی می‌رسد آن را جذب کرده باعث افزایش سرعت ارتعاشی مولکول‌های آن قسمت از جسم می‌گردد. برخورد این مولکول‌ها با مولکول‌های سرد مجاور در جسم جامد باعث تبادل انرژی حرارتی شده این کار ادامه می‌یابد. لذا انتقال انرژی حرارتی شده این کار ادامه می‌یابد لذا انتقال انرژی حرارتی به کلیه نقاط جسم صورت می‌گیرد باید توجه داشت که به دلیل آنکه محدوده حرکت نوسانی مولکول‌ها در جسم جامد محدود است لذا انتقال حرارت در اثر جابه‌جا شدن ملکول که در همرفت برای مایعات و گازها رخ می‌دهد برای جسم جامد اتفاق نمی‌افتد با در نظر گرفتن جسم جامدی همچون شکل (۱-۱۲) هدایت حرارتی جسم جامد به عوامل زیر بستگی دارد:

۱- سطح مقطعی که از آن حرارت عبور می‌کند (A) 2- اختلاف دما بین سطوح گرم و سرد () ۳- زمان جریان حرارت (T) 4- ضخامت جسم یا طول جسم (بسته به جهت انتقال حرارت) (L) 5- ضریب ثابت هدایت حرارتی جسم جامد (K)

شکل (۱-۲۱) ص ۱۸۷

رابطه انتقال انرژی حرارتی درجسم جامد به شکل زیر است:

(۱-۲۱)

H آهنگ انتقال انرژی حرارتی در واحد زمان (کالری بر ثانیه) – A سطح مقطع جسم (سانتی‌متر مربع) () اختلاف دما بین دو سطح سرد و گرم جسم (سانتی‌گراد) – L طول یا ضخامت جسم (سانتی‌متر) و K ضریب هدایت حرارتی جسم جامد است.

دستگاه اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی یک جسم جامد مطابق شکل (۲-۲۱) از یک میله فلزی با جنس مشخص و با شکل هندسی مشخص (معمولاً استوانه‌ای شکل ساخته شده که در دو انتهای آن دو مخزن با ورودی و خروجی‌هایی نصب شده است که یکی از مخزن‌ها به منبع سرد و دیگری به منبع گرم وصل شده است. روی بدنه جسم مورد نظر معمولاً دو جای نگهداری دماسنج و روی مخزن‌های متصل به منبع سرد و گرم محل قرارگیری دماسن وجود دارد.

شکل (۲-۲۱) ص ۱۸۷

معمولاً در مخزن آب در دمای محیط و درمخزن آب گرم با دمای ثابت جریان دارد.

لوازم مورد نیاز:

دماسنج جیوه‌ای یا الکلی – دستگاه اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی- منبع گرما- شیلنگ لاستیکی- کولیس – ترازو- زمان‌سنج- منبع آب سرد- مخزن آب گرم – ظرف

روش آزمایش: دماسنج‌های تا را در محل‌های مربوط نصب کنید (ترجیحاً در داخل شیارهای مربوط به دماسنج‌های و قطره‌ای روغن یا پارافین جهت انتقال حرارت بهتر بریزید) جرم ظرف خالی را به وسیله ترازو بدست آورید.

مخزن آب سرد را به دستگاه وصل کنید و جریان آب را طوری تنظیم کنید که جریان خیلی کوچک و ثابت آب سرد از دستگاه عبور کند. شیلنگ خروجی آب سرد را در ظرف خالی قرار دهید مخزن تهیه بخار آب را به دستگاه وصل کرده منبع حرارتی را روشن کنید. جریان آب سرد را طوری تنظیم کنید که برای مدتی (چند دقیقه) اختلاف دما در دماسنج‌های و ثابت باقی بماند (حالت پایا)

اینک با زمان‌سنج در حالت پایا به مدت ۵ دقیقه آبی را که در ظرف جمع شده است وزن کنید مقادیر دمای و آب جمع‌آوری شده در ظرف (m) و مدت زمان جمع‌آوری آب در ظرف را در جدول (۱-۲۱) ثبت کنید. به کمک رابطهٔ (۲-۱۲) مقدار H را به دست آورید.

(۲-۲۱)

مقادیر A و L را به کمک کولیس اندازه‌گیری کرده یا در صورت عدم دسترسی به داخل دستگاه هدایت حرارتی از مربی آزمایشگاه بپرسید و در جدول (۱-۲۱) ثبت کنید. به کمک مقادیر به دست آمده از جدول مقدار k را برای میله فلزی مورد نظر به دست آورید آزمایش را می‌توانید مجدداً برای جسم دیگری انجام دهید.

خطا به روش لگاریتمی در محاسبه H را با توجه به دقت وسایل اندازه‌گیری بدست آورید.

محاسبات عددی:

محاسبه خطا در بدست آوردن H:

پرسش‌ها:

۱- واحد ضریب هدایت حرارتی k چیست؟ (در cgs)

۲- ضریب هدایت حرارتی جامدات بیشتر است یا مایعات یاگازها؟ چرا؟

۳- در کدام روش انتقال حرارت به محیط مادی نیازی نیست؟

جستارهای وابسته

گزارش کارهای آزمایشگاه فیزیک