Зертханалық жұмыс №1 “Материалдың жылуөткізгіштік коэффициентің цилиндірлік қабат әдісі арқылы анықтау”

Зертханалық жұмыс №1 “Материалдың жылуөткізгіштік коэффициентің цилиндірлік қабат әдісі арқылы анықтау”

1 Жұмыс мақсаты

Цилиндірлік пішінді материалдың жылуөткізгіштік коэффициентің эксперимент арқылы анықтау әдісімен танысу және жылуөткізгіш туралы білімді тереңдету.

Екі молекула шағылысқанда кинетикалық энергия ең жылдам молекуладан одан жылдамдығы аз молекулаға беріледі де, шапшан молекуланың кинетикалық энергиясы азаяды, ал баяу молекуланыкі күшейеді. Кері процесс болуы мүмкін емес, ойткені баяу молекула жылдам молекуланы қуып жете алмайды. Сол кезде энергия күшімен жасалатын молекуланың жылдамдығының өзгеруіне молекуланың кинетикалық энергия айырмашылығы жұмысқа тең болады.

Кинетикалық энергияның микроскопиялық сипаты температура болып келеді


Мұнда i – молекуланың еркін дәрежесінің саны, молекула құрылысының күрделігін сипаттайды;

k_Б – Больцманның түрақты саны;

Кинетикалық энергияны, шапшан молекуладан баяу молекулаға, өздігінен болмайтын берілу процесі жылуалмасу немесе жылу тасымалдау деп аталады. Молекулалар арасында кинетикалық энергиямен алмасу, құр олар шағылысқан кезде ғана пайда болмайт, және тағы, кинетикалық энергияны өздерімен әкелетін, басқаша бөлшектердің (гравитондар, фотондар, электрондар және т.б.) жіберілу және жұтылу кезінде пайда болады. Соған сәйкес жылутасымалдаудың үш тәсілін айрып таниды (кинетикалық энергияны беру): сәулелену, жылу өткізгіштік, конвекция (2.1- сурет).

Егер кинетикалық энергияны тасушы текқана фотон болса, оңда бұл жағдайда жылуалмасу – жылулық сәулелену деп аталады. Жылулық сәулелену таза түрде текқана космоста немесе вакуумда болуы мүмкін.

Жылу өткізгіштік жағдайында кинетикалық энергияны тасушысы молекулалармен шығарылатың әр түрлі бөлшектер және молекулалар өздері де болады, егер молекулалардың нәтижелік ағыны барлақ бағытта нөльге тең болса, дәлірек айтсақ, кеңестікте макроскопиялық ортаның жылжуы жоқ. Металдарда кинетикалық энергияны тасушысы негізінде еркін электрондар болады; сұйықтықта және қатты диэлектрик денелерде фонолдар (электромагниттік толқындардың фотон болшектері сияқты серпінді толқындардың бөлшектері); ал газдарда - молекула және атомдар.

Конвекция (лат. сөзінен тасымалдау, жеткізу) текқана өзгеріс орталығында болады. Конвекция жағдайында кинетикалық энергияны тасушылар молекулалар болады, олар бір элементарлық бөлшек пішіннің ішінде ретсіз қозғалысымен бірге кеністікте макробөлшектермен бірге бағытталған қозғалыс жасайды.

Т- температура (абсолюттік) К;

Т_о=273,15 К мұздың еру температурасы;

Т_с – Цельсий температурасы, К.

Термодинамикада жылулық деп жүйенің молекулаларының кинетикалық энергиясының өзгеретің бөлігін атайды. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша жылулықты, молекулалардың кинетикалық энергиясының өзгерісімен сыртқы күштердің макроқозғалыс жұмысының айырмашылығына тең деп немесе ішкі энергия және ішкі күштер көлемінің өзгеру жұмысының қосындысына тең деп анықтауға болады

Жылулық жалпы алғанда, молекуланың кинетикалық энергия өзгерісін толық анықтамағандықтан, оны функция ретінде қарастыра алмайды. Яғни ол өзгеріс, жүйенің микробөлшектерінің кинетикалық энергиясының толық өзгеруін сипаттайды.

Бір уақыттың ішінде изотермиялық бет арқылы өтетін жылулықтың мөлшері жылулық ағыны Ф, Вт деп аталады

Фурье заңы бойынша жылулық ағынның тығыздығының векторы температура градиентіне grad T=T₀dT/dn

пропорционалды және жолдамамен қарама-қарсы болып келеді
, (2.1)
λ – жылу өткізгіштік коэффициенті – заттың жылу өткізгіштігің сипаттайтың физикалық мөлшер, Вт/(мК). Заттың агрегаттық күйінен, оның атомдық және молекулярлық құрылысынаң, температурасы және қысымынаң, құрамынаң (қоспа немесе ерітінді) тәуелді;

n₀ – жеке вектор, изотермалық үстіне нормалды және температураның өсу жағына бағытталған;

dT/dn – нормалмен бағытталған температураның туындысы.

Температура градиенті – температура өсу жағына изотермалық үстіне нормалмен (нормал бойымен) бағытталған вектор. Және ол, нормал бағытындағы температураның туындысына тең болып келеді. Температура градиенті кеністіктің берілген нүктесінде ұзындық бірлігіне келетің температураның ең үлкен өзгерісін сипаттайды.

Фурье заңы бойынша жазықтық қабырғаның жылу өткізгіштігің φ есептеуге керек тендеулер шығарылады
(2.2)
және цилиндірлік қабырғаға
(2.3)
мұндағы

Т₁ , Т₂ - ыстық және суық қабырға үстінің температурасы, К;

δ – қабырға қалындығы, м;

 - қабырға материалының жылу өткізгіштік коэффициенті.

Кесте 2.1 Кейбір газдардың, сұйықтықтардың және қатты денелердің атмосфера қысымына байланысты жылу өткізгіштік коэффициентінің маңызы