Dielektrikų šiluminio laidumo koeficiento nustatymas

Tikslas: išmatuoti dielektriko šiluminio laidumo koeficientą.

Priemonės: dielektriko šiluminio laidumo koeficiento matavimo kalorimetriniu metodu įrenginys , dielektriko plokštelė, slankmatis, sekundometras, menzūra.

Darbo metodika ir pagrindinės formulės

Šiluminę energiją dielektrikuose perneša kristalinės gardelės svyravimai. Padidinus dielektriko temperatūrą,padidėja atomų svyravimo amplitudė. Dėl atomų tarpusavio sąveikos svyravimo energija perduodama gretimiems atomams, pastarųjų kitiems  itt., - kietajame kūne plinta tampriosios bangos, pernešančios šiluminę energiją. Šių bangų plitimo dėsningumus aprašo kvantinė bangų sąveikos su kristalinės gardelės svyravimais teorija.

empiriškai dielektrikų šiluminis laidumas aprašomos Furjė dėsniu. Jei dielektrike išilgai x ašies yra temperatūros gradientas , tai šilumos kiekis Q, perneštas per plotą S, statmeną x-sų ašiai, per laiką t, yra proporcingas temperatūros gradientui x-sų ašies kryptimi plotui S ir laikui t: (1)

čia x – šiluminio laidumo koeficientas. Minus ženklas rodo, kad šiluma pernešama temperatūros mažėjimo kryptimi.

Išmatavę Q, S, t, ir temperatūros gradientą, galime apskaičiuoti šiluminio laidumo koeficientą .

Atliekant bandymą iš garintuvo 1, vandens garai nenutrūkstamai leidžiami į kaitintuvą 2, tuo palaikant pastovią jo sienelių temperatūrą, lygią garų temperatūrai, tai yra 373 K (kaitintuvą galima kaitinti ir kitais būdais). Ant viršutinės kaitintuvo sienelės dedamas tiriamos medžiagos pavyzdys 3, o ant jo –kalorimetras 4 su vandeniu. Kalorimetre 4 įtaisytas termometras 5 ir maišiklis 6. Kalorimetras ė ir kaitintuvas yra termiškai izoliuoti nuo vandeniu. Pagal (1) formulę, per labai mažą laiko tarpą dT per dielektriko sluoksnį pereis mažas šilumos kiekis

(2)

Čia To – kaitintuvo temperatūra, T – kalorimetro su vandeniu temperatūra,  Δx – dielektriko bandinio storis, S – kalorimetro dugno plotas. Per laiko tarpą dt kalorimetras su vandeniu gaus tokį pat šilumos kiekį

(3)

Čia m_{1 –} vandens masė kalorimetre, c₁ – vandens specifinė šiluma. m₂ – kalorimetro masė, c₂ – kalorimetro medžiagos specifinė šiluma. dT – kalorimetro ir jame esančio vandens temperatūros pokytis. Sulyginę (2) su (3), atskyrę kintamuosius ir suintegravę,, išreiškiame χ:

(4)

Pagal tą formulę apskaičiuojame dielektriko šiluminio laidumo koeficientą χ.

Paklaidos skaičiavimo formulė:

(5)

Darbo eiga:

Įjungiame garintuvo kaitintuvą.

Pasveriame ir nustatome kalorimetro su maišikliu ir vandens, esančio kalorimetre, mases.

Slankmačiu išmatuojame dielektriko bandinio storį Δx.

Surenkame įrenginį ir laukiame, kol kaitintuvo temperatūra pasieks vandens garų temperatūrą.

Išmatuojame kalorimetro pradine temperatūra T₁ ir įjungiame sekundometrą (matavimo laiką nurodo dėstytojas)

Pasibaigus matavimo laikui, užfiksuojame galutinę kalorimetro su vandeniu temperatūrą T₂.

Pagal (4)  formulę apskaičiuojame χ.

Apskaičiuojame paklaidą.

Skaičiavimai:

m₁= 0,08 kg

m₂= 0,13kg

Δx= 0,0051m

c₁= 4190

c₂=390

S=4,41·10^-3 m²

T₀=373 K

T₁=295 K

T₂=305 K

τ= 840 s

pagal (4) formulę apskaičiavę dielektriko šiluminio laidumo koeficientą gavome

<χ>=0,07

pagal (5) formulę

χ=<χ>+Δχ=(0,07±0,01)