Работа № 17 Определение теплопроводности газов методом нагретой нити

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11

Цель работы: определение коэффициента теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.

В работе используются: вертикальная трубка с двойными стенками с натянутой внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное сопротивление 10 Ом и нагрузочное сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.

Если внутри сосуда с газом существует градиент температур, в газе возникают процессы, приводящие к выравниванию температуры. В обычных условиях среди этих процессов наибольшую роль играет конвекция. Конвекция появляется из-за того, что легкий теплый газ поднимается вверх, а на его место опускаются более холодные массы газа. Конвекция не возникает, если температура газа повышается с высотой, если объем газа невелик или если он разбит на небольшие каналы или ячейки. В последних случаях возникновению конвекционных потоков мешает вязкость. При отсутствии конвекции процесс переноса тепла замедляется, но не прекращается. Он происходит благодаря теплопроводности газа, связанной с тепловым движением молекул. Выравнивание температуры получается при этом из-за непрерывного перемешивания " горячих" и " холодных" молекул, происходящего в процессе их теплового движения и не сопровождающегося макроскопическими перемещениями газа. В данной работе исследуется этот случай.

Для цилиндрически симметричной установки, в которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его оси, справедлива формула:

[1]

Уравнение [1] может служить для определения коэффициента теплопроводности c. При этом нужно знать радиусы нити r, цилиндра R, длину цилиндра L, поток тепла Q и разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра T_r - T_R.

Нить цилиндра нагревается электрическим током. После того как устанавливается стационарный режим, тепловой поток Q становится равен джоулеву теплу, выделяемому в нити, которое тепло легко рассчитать, зная сопротивление нити и силу протекающего по ней тока. Наибольшую трудность вызывает измерение температуры нагретой нити, но доступной непосредственному измерению.

Экспериментальная установка.

Схема установки представлена на рисунке ниже:

Проволока 1 натянута между упорами 3-4 внутри трубки 2. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой. Температура стенок трубки поддерживается термостатом 10, который управляется с пульта 12. Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить 1 включена в схему измерительного моста Уитстона, состоящего из магазина сопротивлений 8, гальванометра 9, нагрузочного 7 и эталонного сопротивлений 6. Параметры моста подобраны таким образом, что при балансе моста сопротивление магазина сопротивлений в 10 раз больше сопротивления нити. Вся схема подключена к источнику питания Е, параметры которого задаются с пульта 11.

Технические характеристики установки:

- диаметр проволоки (1) 0, 1 мм;

- внутренний диаметр трубки (5) 8 мм;

- длина проволоки (1) 0, 5 м;

- материал проволоки вольфрам;

- коэффициент температурного сопротивления

- величина R_эт 3, 5 Ом;

- величина r_н 35 Ом.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите работу.

2. Снимите при комнатной температуре зависимость сопротивления нити R от протекающего через установку тока I. Провести измерения для 4¸ 5 минимальных значений напряжения.

Результаты измерений занести в таблицу №1:

Физ. величина	T_R	U	I	R
Ед. измерений Номер опыта	К	В	А	Ом

Постройте график зависимости . Продлите график до пересечения с осью ординат, для определения значения сопротивления нити при I = 0. Запишите определенное значение R_o - сопротивление проволоки при комнатной температуре.

3. Нажать кнопки «Нагрев» и «Цирк». Для различных температур стенок трубки T_R (20°, 40°, 60°, 80°) проведите измерения зависимости сопротивления нити R от протекающего через установку тока I при различных значениях напряжения, от минимального (1 В) до максимального (15 В), увеличивая напряжение с шагом 2¸ 3 вольта. Записывайте в таблицу значения установленного напряжения V, протекающего тока I, сопротивления проволоки R.

4. Для каждого набора значений предыдущего упражнения рассчитать поток тепла, переносимый воздухом с проволоки:

[2]

и температуру поверхности проволоки: [3]

Используя результаты вычислений по формулам [2] и [3] рассчитать по формуле [1] среднеинтегральные коэффициенты теплопроводности c(T_ср),

где - среднеарифметическая температура.

5. Постройте график зависимости . Сравните полученные значения с табличными.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №2:

Физ. величина	T_R	U	I	R	Q	T_r	T_ср	c
Ед. измерений Номер опыта	^оС	В	А	Ом	Вт	К	К
№	знач.	№	знач.
		1. 2. 3. 4. 5.		1. 2. 3. 4. 5.
		…	…	…	…
		…	…	…	…
		…	…	…	…

6) рассчитать погрешность косвенных измерений;

7) привести окончательный результат.

Работа № 18 Определение теплопроводности твердого тела (пластина)

Цель работы: определение коэффициента теплопроводности твердых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала.

Количество теплоты , протекающее за единицу времени через однородную перегородку толщиной и площадью при разности температур , определяется формулой

[1]

где c - коэффициент теплопроводности, характеризующий свойства среды.

Значение коэффициента теплопроводности c может быть определено непосредственно из формулы [1], если измерить на опыте величины DQ, DT, d и S. Однако точное определение DQ практически невозможно, поэтому в настоящей работе производится сравнение теплопроводности исследуемого материала с теплопроводностью некоторого другого эталонного материала с хорошо известным значением коэффициента c. При этом можно избежать измерения DQ. Суть метода следующая. Две пластинки, изготовленные из материалов с коэффициентами теплопроводности c₁ и c₂, зажимаются между стенками, температуры которых равны T₁ и T₂ и поддерживаются постоянными во время опыта. Если толщины пластинок (d₁ и d₂) достаточно малы по сравнению с наименьшим линейным размером их поверхности, то можно пренебречь потерей тепла через боковые поверхности. Тогда можно считать, что тепловой поток протекает только от горячей стенки к холодной через пластины. В этом случае

и [2]

Из [2] получаем окончательно [3]

где DT₁ и DT₂ - перепады температур на пластинках.

Зная теплопроводность материала одной из пластинок, используя формулу [3] легко определить на опыте теплопроводность другой пластинки. Необходимо помнить о том, что формула [3] получается в предположении сохранения теплового потока неизменным через обе пластинки, что оправдано при толщине, очень малой по сравнению с радиусом пластинки, и при теплоизоляции боковых поверхностей пластинок.

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

1. Установка состоит из пластин (2) и (3), зажатых между нагревателем (1) и холодильником (4). Пластина (2) изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина (3) - из исследуемого материала. Толщина пластины (2) - L_эт, толщина пластины (3) - L_иссл. Форма пластин - диск, радиус 20 см, причем толщина пластины более чем в 10 раз меньше диаметра. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста.

2. Нагреватель (1) подключен к регулируемому источнику питания (5), управление которым осуществляется с пульта (14). Сопротивление спирали нагревателя R - 50 Ом, максимальная мощность - 800 Вт.

3. Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры. Температура холодильника T_хол принимается равной температуре воды, установленной на термостате - 20 °С, не регулируется.

4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (7), (8) и (9), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите работу.

2. Запишите материал и толщину образцовой пластины.

3. Включите термостат в режим " НАГРЕВ" и " ЦИРК". Включите источник питания.

4. Если проводится эксперимент с металлическими пластинами, то установите напряжение 25 В. Для прочих материалов установите напряжение 10 В.

5. Дождитесь установления теплового равновесия. Для ускорения процесса можно использовать функцию программы " Скачок во времени". Для металлических пластин достаточно 10¸ 15 мин, для неметаллов - 30¸ 40 мин.

6. Запишите разности температур на пластинах.

7. Повторяйте п.п.4¸ 6 для напряжений:

- металлические пластины 25 В, 50 В, 100 В, 200 В.

- прочие материалы 10 В, 20 В, 35В, 50 В.

Физ. величина	U	T₁	T₂	T₃	DT₁	DT₂	c₁	c₂	Dc_2ср
Ед. измерения Номер измерения	В	^оС	^оС	^оС	К	К

8. Рассчитайте для каждого значения напряжения коэффициент теплопроводности, найдите среднее значение.

9. По справочнику определите материал исследуемой пластины.

Санкт- Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики.

ФИЗИКА НА КОМПЬЮТЕРЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 1011