Схема и описание установки
Исследуемый материал 1 (рис. 2) нанесен в виде цилиндрического слоя (d1 = 0,02, м; d2 = 0,05, м) на наружную поверхность металлической трубы Длина цилиндра тепловой изоляции составляет 1 м, что значительно больше 
наружного диаметра. Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 4. Для определения мощности теплового потока служат вольтметр 5 и амперметр 6. Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 8 в комплекте с потенциометром 9.
Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включив электропитание установки, по указанию преподавателя установить по вольтметру 5 требуемую величину напряжения. Далее в течение всего опыта мощность теплового потока поддерживается постоянной. Таким образом, мощность теплового потока определяется по показаниям вольтметра и амперметра.
2. Через каждые 5 – 10 минут выполняются замеры термоЭДС термопар по потенциометру 9, а затем, пользуясь тарировочным графиком, переводят значения термоЭДС в величины температур, °С (с учетом температур холодных спаев термопар). Результаты измерений заносят в протокол наблюдений (табл. 1).
Таблица 1.
| № п/п | Измеряемая величина | Обозна- чение | Единицы измерения | Номера опытов | ||||
| Сила тока | I | а | ||||||
| Напряжение | U | в | ||||||
| Температура внутренней поверхности слоя изоляции | t2 | °С | ||||||
| Температура наружной поверхности слоя изоляции | t1 | °С |
3. При достижении стационарного режима, который характеризуется постоянством измеряемых температур на наружной и внутренней поверхностях тепловой изоляции, завершают отсчеты всех измеряемых величин, и единичный опыт считается законченным.
Расчетные формулы и расчеты
1. Все расчеты сводятся к вычислениям коэффициента теплопроводности на основе выражения (3) по формуле
, Вт/(м·оС).
2. Мощность теплового потока определяется по формуле
, Вт.
3. Средняя температура тепловой изоляции
, оС.
4. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
Таблица 2
| № п/п | Расчетная величина | Обозна- чение | Единицы измерения | Номера опытов | ||||
| Тепловой поток | Q | Вт | ||||||
| Средняя температура исследуемого материала | tcр | °С | ||||||
| Коэффициент теплопроводности исследуемого материала | l | Вт/ (м·оС) |
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы вычислить коэффициент теплопроводности?
4. Какова физическая сущность передачи тепла теплопроводностью?
5. Сформулируйте понятия: температурное поле, градиент температуры, мощность теплового потока, удельный тепловой поток.
6. Покажите на схеме установки, как направлен вектор теплового потока и градиента температуры.
7. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности и от каких факторов он зависит?
8. Каков характер изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
9. Какова взаимосвязь между коэффициентом теплопроводности и наклоном температурной кривой по толщине тепловой изоляции?
10. Дайте определение понятию термического сопротивления стенки.
11. Как зависит коэффициент теплопроводности различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей и газов) от температуры? Ответ обосновать.
12. Сформулируйте основной закон теплопроводности. В чем его сущность?
13. Каковы основные трудности тепловых расчетов при переносе тепла теплопроводностью?
14. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?