Wyznaczenie współczynnika przewodnictwa cieplnego metali

Przebieg doświadczenia i opracowanie wyników

Uwaga! Zestaw ćwiczeniowy został zmodyfikowany i różni się nieznacznie od układu opisanego w skrypcie S. Szuby. Temperatura w kolejnych punktach na prętach (miedzianym i aluminiowym) jest mierzona za pomocą 2 x 8 sensorów połączonych z miernikiem i podawana w stopniach Celsjusza. Odległość pomiędzy poszczególnymi punktami pomiarowymi wynosi (50 ± 1) mm.

1. Za pomocą suwmiarki należy zmierzyć średnice prętów, a następnie wyliczyć pola powierzchni przekroju poprzecznego prętów.
2. Przygotować w pojemniku mieszaninę wody z lodem, przy czym większość objętości powinien stanowić lód.
3. Włączyć miernik temperatury oraz zanotować temperatury w kolejnych punktach prętów miedzianego i aluminiowego. 
   Praktyczna porada: aby usprawnić proces pomiarowy oraz mieć pewność, że temperatura jest zapisywana w tym samym czasie, najlepiej wykonać zdjęcia wyświetlaczy termometrów. Następnie spisać wyniki do tabel pomiarowych.
4. Zanurzyć końce prętów w pojemniku z mieszaniną wody z lodem. W tym celu należy unieść obudowę prętów za pomocą uchwytu, a następnie opuścić końce prętów do pojemnika.
5. Włączyć zasilacze podłączone do grzałek i ustawić napięcie zasilające w zakresie 14÷16 V. Spisać wartości napięć oraz natężeń prądów płynących przez poszczególne grzałki.
6. Po pięciu minutach od ustawienia napięć zasilających, zarejestrować temperatury na obu prętach (2 x 8 temperatur). Pomiary powtarzać co 5 minut przez co najmniej 50 minut.
7. Wykreślić zależność temperatury w pręcie  T od czasu t dla obu prętów (T = f(t)).
8. Na podstawie wykresów T = f(t) znaleźć orientacyjny czas, po którym przepływ ciepła można uznać za ustalony. W stanie ustalonym zmiany temperatury dla poszczególnych punktów pomiarowych są nieznaczne. 
9. Korzystając z wyników pomiarowych w stanie ustalonym (zwykle stan ustalony osiągany jest po około 35 minut), należy wykreślić zależności temperatury T od odległości x dla obu prętów (T = f(x)). Za wartość zerową odległości można przyjąć położenie pierwszego punktu pomiarowego. 
10. Zakładając, że T = f(x) jest zależnością liniową, obliczyć metodą regresji liniowej współczynnik nachylenia prostej (gradient temperatury w pręcie). Wyznaczyć również niepewność oraz jednostkę współczynnika.
11. Obliczyć współczynniki przewodnika cieplnego λ dla miedzi i aluminium, korzystając z równania:
    λ=-ηUI/aA
    gdzie: η - sprawność grzałki (η_miedzi = 0,95; η_aluminium = 0,90), U – napięcie, I – natężenie prądu, a - współczynnik nachylenia (gradient temperatury), A - pole powierzchni przekroju poprzecznego pręta.
    Należy również wykonać rachunek jednostek.
12. Obliczenia powtórzyć dla dwóch kolejnych przypadków stanu ustalonego (np. po 40 i 45 minutach). Dla każdego przypadku wyliczyć λ dla miedzi i aluminium. Wyznaczyć wartości średnie oraz odchylenia standardowe średniej, uwzględniając współczynnika Studenta-Fischera.
13. Zapisać wyniki w postaci końcowej i porównać je do wartości tablicowych.
14. Zapisać wnioski.