Wydział: Inżynieria Środowiska	Dzień/ godzina: środa 11-14	Nr zespołu: 16
	Data: 23 kwietnia 2014
Nazwisko i imię: Sewerynik Zuzanna Sowińska Karolina Szymańczak Emil	Ocena z przygotowania	Ocena z sprawozdania
Prowadzący: Michał Kwaśny	Podpis Prowadzącego

Badanie przewodnictwa cieplnego i temperaturowego metali metodą Angstroma

Ciepło jest to ta część energii wewnętrznej przekazywana od ciała cieplejszego do ciała chłodniejszego, która odbywa się w oparciu o mikroskopowy mechanizm zderzeń między cząsteczkami/atomami.

Przekazu ciepła nie widać gołym okiem. Zazwyczaj nie obserwujemy żadnego dostrzegalnego ruchu, czy innych prostych objawów (wyjątkiem byłyby sytuacje, w których ktoś skonstruowałby jakieś specjalne urządzenie do wskazywania przepływu energii cieplnej). 

Ciepło zawsze przepływa od ciała o wyżej temperaturze, do ciała o niższej temperaturze.

Mikroskopowa interpretacja - zderzenia cząsteczek

Przekaz ciepła wiąże się z faktem, że zetknięcie cząsteczek ciała cieplejszego (szybciej się poruszających) z cząsteczkami ciała chłodniejszego (wolniejszych), powoduje zderzanie się ich i pobudzanie tych ostatnich do szybszego ruchu, przy spowalnianiu cząsteczek oddających swoją energię kinetyczną. 

Mechanizm przekazywania ciepła działa zarówno w przypadku ciał stałych, cieczy, jak i gazów. Różnica jest tylko taka, że ciała stałe mają cząsteczki dość mocno „umocowane” w węzłach sieci krystalicznej, dzięki czemu nie mogą odlecieć, choć nieraz dość intensywnie drgają w swoich położeniach równowagi. Cząsteczki gazów i cieczy nie są przywiązane do jednego miejsca, dzięki czemu mogą się ze sobą mieszać. Jednak bez względu na to, czy ruch odbywa się na względnie duże odległości (jak w przypadku gazów) czy też cząsteczki mogą wykonywać wyłącznie ruchy drgające wokół położenia równowagi, to faktem jest, że po pewnym czasie energia szybszych cząstek jest przekazywana wolniejszym – dochodzi do przewodzenia ciepła.

Przewodnictwo cieplne – to proces przepływu ciepła pomiędzy częściami układu o różnych temp. Mikroskopowo jest to proces

przekazywania energii pomiędzy poszczególnymi cząstkami w postaci drgań bez jednoczesnego przemieszczania się cząstek.

Przewodnictwo ciepła prowadzi w efekcie do ustalenia strumienia energii w całym układzie. Podstawowym prawem przewodnictwa ciepła jest proporcjonalność gęstości strumienia ciepła do zmian przestrzennych temperatury T.

Jednostką ciepła jest dżul (J), co wynika z faktu, że ciepło jest forma energii, a dżul jest jednostką wszystkich rodzajów energii. [Q] = J 

Przewodność cieplna materiału zależy od rodzaju substancji, dla substancji niejednorodnych od ich budowy, porowatości, stanu skupienia. Dla małych różnic temperatur w technice przyjmuje się, że przewodność cieplna nie zależy od temperatury. W rzeczywistości przewodność cieplna zależy od temperatury.

Substancjami najlepiej przewodzącymi ciepło są metale, najsłabiej gazy.

Przebieg ćwiczenia

doświadczenie polegało na wyznaczeniu współczynnika przewodnictwa cieplnego i współczynnika przewodnictwa temperaturowego w mosiężnym pręcie. W celu wykonania tego doświadczenia była nam potrzebna wartość ciepła właściwego mosiądzu wyznaczona w poprzednim doświadczeniu

u(t) = 0,05s

u(T) = 0,1 stopnia C

Δl = 0,08m

Cw = 0,385 kJ/kg*K

ρ = 8520 kg/m^3

- współczynnik przewodności temperaturowej

$$k = \frac{0,0064}{2 \bullet 120 \bullet ln(\frac{13,5}{5,5})} = 2,96 \bullet 10^{- 5}$$

k= $\mathbf{2,96 \bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{- 5}}\left( \mathbf{0,24 \bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{- 5}} \right)\frac{\mathbf{m}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{s}}$

[J/mKs] – współczynnik przewodnictwa cieplnego

$$\lambda = 2,96 \bullet 10^{- 5} \bullet 385 \bullet 8520 = 97,1\lbrack\frac{W}{\text{mK}}\rbrack$$

$$\mathbf{\lambda = 97,1}\left( \mathbf{7,9} \right)\frac{\mathbf{W}}{\mathbf{\text{mK}}}$$

Wnioski:

Oczekiwany współczynnik λ dla mosiądzu powinien wynosić 110,6 W/mK. Nasz współczynnik odbiega od tej wartości i wynosi λ = 97,1 W/mK. Wynika to zapewne z problemów związanych z wadliwie działającym osprzętowaniem komputerowym – zmniejszyło nam to oczekiwany przydział czasowy na wykonanie pomiarów i spowodowało iż musieliśmy je rozpocząć zanim nasza krzywa sinusoidalna ustabilizowała się. W momencie rozpoczęcia pomiarów mosiądz nie osiągnął, więc maksymalnej wartości przewodnictwa cieplnego – i to jest powodem zaniżenia naszego wyniku