FIZYCZNE PODSTAWY PRZEWODNICTWA CIEPLNEGO STOPÓW
1. Przebieg doświadczenia
Badanie przeprowadzone zostało dla próbki żelaza Fe. Zastosowano dwie próbki wzorcowe 12H18NIOT. Pomiar współczynnika przewodności cieplnej λ w funkcji temperatury należało przeprowadzić metodą porównawczą. Pomiar polegał na uzyskaniu różnicy temperatur ΔT1≅ΔT3. Stanowisko pomiarowe składa się z płyty grzejnej, na której ustawia się stos trzech próbek, jednej badanej i dwóch wzorcowych. Temperatury próbek mierzone są za pomocą mikrotermopar przy pomocy rejestratora wielokanałowego. W celu minimalizacji strat przez powierzchnie walcowe próbek i wywołania osiowego przepływu ciepła, stos próbek otoczony jest ekranem i pierścieniem izolacyjnym, a na górną próbkę nakłada się miedzianą, bądź mosiężną chłodnicę.
2. Obliczenia
Po doświadczeniu należało przeprowadzić następujące obliczenia:
1. Obliczenie współczynnika przewodności cieplnej dla miedzi λFe
2. Obliczanie współczynnika przewodności elektrycznej σ (T).
3. Sprawdzenie słuszności prawa Wiedemanna-Franza
Obliczenia przeprowadzać można jedynie w przypadku, gdy spełniony jest warunek na podobieństwo różnic temperatur 1 i 3.
1. Obliczanie współczynnika przewodności cieplnej
Korzystamy z zależności:
z której to wyznaczamy:
λ1 jest współczynnikiem przewodności cieplnej dla próbki (odczytujemy ją z wykresu dla odpowiedniej temperatury T, gdzie:
; 
Poniższa tabela przedstawia wyniki odczytów z rejestratora elektronicznego.
Nr Term. |
T |
ΔT |
T |
ΔT |
T |
ΔT |
1 |
143 |
17 |
155 |
21 |
169 |
21 |
2 |
126 |
|
134 |
|
147 |
|
3 |
109 |
3 |
114 |
3 |
125 |
3 |
4 |
106 |
|
111 |
|
121 |
|
5 |
92 |
18 |
96 |
20 |
96 |
20 |
6 |
74 |
|
76 |
|
76 |
|
2. Sprawdzanie słuszności prawa Wiedemanna-Franza.
Sprawdzenia dokonuje się na podstawie zależności:
gdzie: L - stała Lorenza ; L = 2,4 10 -8 [WΩK]
λ - współczynnik przewodności cieplnej
σ - współczynnik przewodności elektrycznej
Współczynnik przewodności elektrycznej obliczyłem na podstawie wyrażenia:
gdzie: T0 = 297oK
σ - współczynnik przewodności elektrycznej ; σ(T0) = 1,03 107 s/m
a - współczynnik temperaturowy przewodności ; a = 45 10-4 1/K;
Otrzymane tą drogą wyniki są jedynie przybliżone, ze względu na pewną niedokładność pomiaru i odczytu.
TFe |
λFe |
σFe |
LFe |
131,5 |
94,06 |
0,53 ⋅ 10 7 |
0,43 ⋅ 10 -7 |
136,5 |
116,5 |
0,55 ⋅ 10 7 |
0,55 ⋅ 10 -7 |
147 |
92,95 |
0,46 ⋅ 10 7 |
0,48 ⋅ 10 -7 |
3. Wnioski z przeprowadzonego doświadczenia
Doświadczenie przeprowadzone zostało przy pomocy metody porównawczej z wykorzystaniem trzech próbek cylindrycznych, dwóch wzorcowych oraz badanej . Dla metali mocno zanieczyszczonych oraz nieuporządkowanych stopów średnia droga swobodna fononów i elektronów jest w przybliżeniu jednakowa (zależy od stopnia nieuporządkowana stopu), dlatego udział fononów i elektronów w przewodnictwie cieplnym jest podobny. Ćwiczenie polegało na obliczeniu współczynnika przewodności cieplnej dla próbki λFe, oraz sprawdzeniu prawa Wiedemanna-Franza. Prawo to, po uwzględnieniu pewnej tolerancji błędów jest słuszne. Z wykresu dowiadujemy się, że współczynnik przewodności ciepła rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Jest on w przybliżeniu proporcjonalny doT3.
3