Определение коэффициента теплопроводности металлов

Цель работы — определить коэффициент теплопроводности при помощи двух калориметров.

Если в среде возникает неоднородность температуры, то одновременно возникает и процесс переноса тепла (энергии), называемой теплопроводностью. Способ распространения теплового потока существенно зависит от свойств среды. Рассмотрим процесс теплопередачи газа. В равновесном состоянии концентрация  и температура молекул  во всём объёме газа одинаково. Пусть, однако, в некоторой зоне объёма температура газа повысилась. В соответствии с  уравнением кинетической теории , это приводит к тому, что давление газа в «горячей» зоне  станет больше, чем в «холодной» зоне . Между этими областями возникает перепад дальний  и, следовательно, на хаотическое тепловое движение накладывается упорядоченное дрейфовое движение горячих молекул в холодную зону. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура газа во всём объёме не выровняется. Таким образом, теплопередача в газах всегда связана с перетоком масс и может быть названа тепловой диффузией, то есть здесь мы имеем дело с тепло-массообменом или конвекцией.

Другой механизм теплопередачи в твёрдых телах. Дело в том, что в газообразной фазе расстояние и средняя длина свободного пробега молекул велики. Это приводит к тому, что «горячие» молекулы диффундируют в холодную зону и происходит перемешивание молекул. В твёрдой фазе молекулы упакованы с очень большой концентрацией, поэтому средняя длина свободного пробега имеет практически молекулярные размеры и молекулы не могут перемещаться по объему. Практически их положение строго локализовано. Рассмотрим образец, выполненный в виде такого стержня. Если его длина  и температура левого кольца стержня , а правого , то вдоль стержня существует градиент температуры . Пусть . Тогда при перемещении направо от точки с координатой  до точки с координатой  молекулы в каждом слое будут находиться при различных температурах . Поэтому молекулы левее обладают большей кинетической энергией поступательного движения . Вследствие хаотического движения они будут сталкиваться с молекулами правого слоя и по законам упругого соударения будут передавать им свою энергию до тех пор, пока не наступит термодинамическое равновесие. Такой механизм теплопередачи называется теплопроводностью. В отличие от тепловой диффузии, при теплопередаче никакого массового теплообмена не происходит.

(2.15)

В соответствии с уравнением теплопроводности, тепло, переданное через сечение площади  за время , будет:

Знак минус показывает, что тепловой поток направлен в сторону низких температур, т. е. тепло перетекает от горячего кольца к холодному.

 — коэффициент теплопроводности.

Его физический смысл: это тепловая энергия, которая передаётся за одну секунду через единичное поперечное сечение перпендикулярное направлению теплового потока, при единичном градиенте температур.