آزمایش تعیین ضریب هدایت حرارتی

آزمایش تعیین ضریب هدایت حرارتی

هدف آزمایش: محاسبه ضریب هدایت حرارتی مس، آلومینیوم، برنج.
وسایل آزمایش: میله‏ی ضریب هدایت حرارتی آلومینیومی، میله‏ی ضریب هدایت حرارتی مسی، میله‏ی ضریب هدایت حرارتی برنجی، ترمومتر دیجیتال با 5 سنسور، ستون با قطر 12 و طول 745 میلیمتر، گیره بالنی بست‏دار  (2عدد)، بست 12 به 10  (2عدد)، سه پايه رومیزی بزرگ قابل تنظیم، شیلنگ 8  (دو متر).


شكل(1)

تئوری آزمایش
وقتی دو قسمت از یك ماده در دماهای مختلفی قرار داشته باشد و دمای عناصركوچك حجم متعلق به ماده بین این دو قسمت اندازه‏گیری شود، آزمایش نشان می‏دهد كه توزیع دما در آنها پیوسته است. انتقال انرژی بین عنصرهای حجم مجاور كه به جهت اختلاف دما بین آنها صورت می‏گیرد، رسانش گرما نامیده می‏شود. قانون رسانش گرما از نتایج آزمایش‏های انجام شده بر روی جریان خطی گرما دریك بره، عمود بر وجوه آن بدست آمده است.

قطعه¬ای ازیك ماده به شكل بره‏ای به ضخامت     و مساحت   درآورده می‏شود. یك وجه آن در دمای   و وجه دیگر در دمای    نگهداشته می‏شود. گرمای   كه درمدت زمان   عمود بر وجوه جریان می‏یابد، اندازه گرفته می‏شود.
آزمایش با   و   های متفاوت تكرار می‏شود. نتایج این آزمایش‏ها نشان می‏دهند كه به ازای مقدار  معینی از ،   متناسب با زمان و مساحت است. همچنین به ازای مقدار مفروضی از زمان و مساحت،   متناسب با    است به شرطی كه   و  هر دو كوچك باشند.
این نتایج را می‏توان به شكل زیر نوشت:


اگر این نتیجه را به یك بره بینهایت كوچك به ضخامت  ، كه در دو طرف آن اختلاف دمای   موجود است تعمیم دهیم و ضریب تناسب را با   نشان دهیم قانون رسانش گرما به شكل زیر در می‏آید:
(1)    

كه در آن   یا   آهنگ انتقال گرما و   را شیب دما می‏نامند. علامت منفی به دلیل این است كه   مثبت بوده درحالی كه   منفی می‏باشد. در رابطه فوق ضریب تناسب   به ضریب رسانش گرمایی موسوم است.
اگردو سر یك میله فلزی را در دو دمای متفاوت (مثلا دمای آب جوش و دمای آب یخ) قراردهیم بعد از یك مدت زمان معین، انتقال گرما در داخل میله به حالت تعادل رسیده و شیب دما درمیله مقدار ثابتی می‏شود، دراین حالت داریم:


كه در آن   اختلاف دمای بین دو نقطه دلخواه روی میله و    فاصله بین دو نقطه است.




روش آزمایش
دستگاه را مطابق شكل (1) آماده كنید. حسگرهای دماسنج دیجیتال را به ترتیب B وC  و D روی میله فلزی به بالا در نقاط تعبیه شده نصب کنید و انتهای میله فلزی را به ظرف كالریمتر بالایی وارد كنید و ابتدای میله را در كالریمتر حاوی آب و یخ قرار دهید به طوری كه 5 سانتیمتر از میله در داخل آب قرار گیرد. حسگر A را در کالریمتر پایینی و حسگر E را در کالریمتر بالایی قرار دهید. با استفاده از یك هیتر، آب را دركالریمتر بالایی به جوش برسانید و آن را در این دما نگه دارید. آب را دركالریمتر پایینی به كمك یخ در   نگه دارید. در این حالت قسمت بالایی میله در دمای آب جوش قرار دارد و قسمت پایینی آن در دمای آب یخ قرار دارد. توجه داشته باشید كه درطی جوشیدن آب در کالریمتر بالایی و گرم شدن میله، ظرف پایینی میله دارای یخ باشد. دماسنج دیجیتال را در نقاط مختلف با فواصل معین قرار دهید و صبر كنید عدد نشان داده شده توسط هر حسگر تقریبا ثابت شود. در این حالت سیستم به حالت تعادل رسیده و آهنگ انتقال گرما در داخل میله مقدار ثابتی است. با اعداد اندازه‏گیری شده برای دما در نقاط مختلف شيب دما را برای زوج نقاط مختلف حساب كرده و مقدار متوسط آن را بدست آورید.
اكنون اگر آهنگ انتقال گرما در میله را اندازه‏گیری كنید مي‏توانيد ضریب رسانش گرمایی (K) را برای ميله محاسبه نماييد. براي اندازه‏گيريH  در حالتي كه سيستم به حالت پایان رسیده ابتدا باید یخ‏های مانده درظرف كالریمتر را بردارید و بی‏درنگ مقداری یخ با جرم معین (که جرم آن را با ترازو اندازه‏گیری کرده‏اید) داخل كالریمتر كه دارای آب صفر درجه است بریزید. همزمان با ریختن یخ‏های با جرم معلوم كرنومتر را روشن كنید و زمان ذوب شدن یخ های باجرم معین را در داخل كالریمتر اندازه بگیرید. در این حالت یخ¬ها گرمای منتقل شده توسط میله را گرفته و در دمای ثابت (دمای آب و یخ) ذوب می‏شوند، این مقدار گرما برابر است با:                                                 
كه درآن  جرم یخ و  گرمای نهان ذوب یخ می‏باشد.
اگر این مقدار گرما را   به زمان اندازه‏گیری شده تقسیم كنید، آهنگ انتقال گرما درمیله بدست می‏آید:                                                                          
آزمایش را با یخ¬هایی با جرم‏های مختلف انجام دهید و آهنگ انتقال گرما را در هربار محاسبه كرده و مقدار متوسط آهنگ انتقال گرما را بدست آورید. با اندازه‏گیری سطح مقطع میله و داشتن شیب دمایی می‏توانید با استفاده از رابطه(1)،   را برای میله محاسبه كنید.

هشدار

مشتریان محترم
لطفا جهت بهره مند شدن از خدمات گسترده شرکت ، همچنین ارائه بهتر آنها و جلوگیری از وقوع تخلفات احتمالی و نیز متضرر نشدن ادامه مطلب را مطالعه نمایید.
ادامه مطلب ...