Протокол лабораторной работы №9

Таблица I

№ п/п	, В	, В	, мВ	Q, Дж/с	, К

Обработка результатов измерений

1. Определить по ртутному термометру температуру воздуха к лаборатории и принять её равной температуре воздуха на входе в калориметр Т_вх.

2. По табл. 2 определить термо–ЭДС Е_вх хромель алюминевой термопары, соответствующую Т_вх.

3. Прибавляя к каждому измеренному значению , значение Е_вх, определить по табл. 2 температуру воздуха на выходе из калориметра Т_вых.

4. Рассчитать разность температур воздуха на выходе и входе калориметра , записать полученное значение в табл. 1.

5. Рассчитать , записать полученные значения в табл. 1.

6. По полученным данным построить график линейной зависимости .

7. Провести оптимальную прямую через набор экспериментальных точек.

8. Определить тангенс угла наклона оптимальной прямой по формуле:

(6)

9. Рассчитать удельную теплоёмкость воздуха при постоянном давлении

(7)

Градуированная характеристика хромель–копелевой термопары (по СТ СЭВ 1059–79) (табл. 2).

Прилагается к данной работе:

В качестве данных установки может быть задан массовой расход воздуха, который является постоянным в течении всего опыта.

Вопросы для самопроверки к работе №9

1. В чём отличие газов от твёрдых и жидких тел? Какими основными параметрами определяется состояние газа?

2. Какую величину определяют в работе?

3. Дайте определение теплоёмкостей (удельной, молярной). Что такое и ?

4. Напишите уравнение Майера и I начало термодинамики для изобарного процесса.

Список рекомендуемой литературы

1. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физики. – М.: Высшая школа, 2009.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2010.

Материально–техническое обеспечение

Установка для лабораторной работы по молекулярной физике «Определение удельной теплоёмкости воздуха при постоянном давлении»

Лабораторная работа №10.

«Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити»

Краткая теория.

Движение молекул газа в термодинамической равновесной системе полностью хаотична. Из основных представлений кинетической теории следует, что газы испытывают в 1 секунду порядка столкновений (соударений). Число столкновений (среднее) за 1с

где d – эффективный диаметр молекул газа;

n – концентрация (т.е. число молекул в единице объёма); ;

– средняя арифметическая скорость молекул.

Расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями называется средней длиной свободного пробега

;

В газах и жидкостях вследствие хаотичного движения молекул происходит необратимый процесс переноса различных физических величин. Эти явления объединяются общим названием «явления переноса».

I. Перенос массы от мест с более высокой концентрацией молекул к местам с более низкой концентрацией называют диффузией.

Эта масса определяется уравнением:

Здесь – площадка, нормальная к потоку, продиффундирующему через неё массы М;

– время движения молекул через площадку ;

– градиент концентрации; ; – масса молекулы газа;

Д – коэффициент диффузии: .

II. Перенос энергии происходит вследствие хаотичного движения молекул из областей с более высокой температуры и обладающих большей энергией ( ) в области с более низкой температурой. Этот процесс называется теплопроводностью. Перенос энергии определяется уравнением

где Q – количество теплоты, перенесённое через изотермическую площадку за время ;

– градиент температуры;

х – коэффициент теплопроводности.

;

– удельная изохорическая теплоёмкость.

При движении тела в вязкой среде возникает сопротивление этому движению. При малых скоростях и обтекаемой форме тела сопротивления обусловлена вязкостью жидкости. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к твёрдому телу, прилипает к его поверхности и увлекается им. Следующий слой увлекается за телом с меньшей скоростью. Таким образом, между слоями возникают силы внутреннего трения.

При падении шарика радиуса r в вязкой жидкости, находящеёся в мензурке (рис. 1), на него действует две противоположно направленные силы. Одна из них f обусловлена гравитацией за вычетом выталкивающих (архимедовой) силы. Другая сила F обусловлена внутренним тернием. Из теории следует, что

(1)

(2)

где – коэффициент вязкости (или внутреннего трения);

– плотность вещества шарика;

– плотности жидкости;

g – ускорение силы тяжести;

– скорость шарика.

Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности воздуха, находящегося вокруг нагретой электрическим током нити. В работе определяется электрическая мощность, выделяемая в нити, и температура нити.

Схема модуля №3. схема измерений.

Нагреваемая вольфрамовая проволока – нить находится в цилиндрическом стеклянном баллоне с двойными стенками, между которыми залита вода. Температура воды в баллоне и, следовательно, температура стенки Т_с трубки постоянна в течении опыта. Баллон с нитью укреплён в модуле №3, внешний вид которого показан на рис. 4. На панели модуля расположены: 1 – табличка с названием работы; 2 – баллон с нитью; 3 – гнёзда для подключения источника питания; 4 – гнёзда для подключения вольтметра (мультиметра); 5 – тумблер объектов измерения.

При нагревании нити, вдоль радиуса трубки создаётся градиент температуры. Площадь, через которую передаётся тепло, равна площади поверхности цилиндра, коаксиального с нагретой нитью. При этом можно записать:

(1)

где l – длина цилиндра радиуса r.

Из (1) можно определить мощность теплового потока через внутреннюю цилиндрическую поверхность трубки радиуса .

(2)

где – радиус нити, Т_Н – температура нити.

Опыт проводится при постоянной температуре трубки, равной Т_с. При этом увеличение электрической мощности, выделяемой в нить, на величину d Р приводит к возрастанию её температуры на d Т_Н. Поэтому из (2) следует:

(3)

Так как вблизи нити теплопроводность воздуха определяется температурой нити, то в (3) величина (Т_Н) относится к температуре нить Т_Н. При возрастании температуры нити на d Т_Н, дополнительный перенос тепловой мощности d Р от нити к стенке трубки определяется только теплопроводностью слоя воздуха вблизи нити. Из соотношения (3) получим:

(4)

Для определения производной необходимо знать зависимость , которую находят по экспериментальным данным. Мощность теплового потока находится по напряжению , измеренному на нити, и току , текущему через образцовое сопротивление и нить. Для определения тока измеряется напряжение на образцовом сопротивление . Температура нити определяется из соотношения:

(5)

где – сопротивление нити при , (Ом); – сопротивление нити при температуре опыта, (Ом); – температурный коэффициент сопротивления материала нити, (1/град.). Формула (4) позволяет по найденной экспериментальной зависимости определить .

Дифференцируя (5) получаем:

(6)

Подставляя d Т_Н из (6) в (4), получаем:

(7)

Формула (7) позволяет использовать график зависимости для нахождения производной .

Порядок выполнения работы

1. Соединить источник питания приборного модуля с помощью проводов с вольфрамовой проволоки через гнёзда 3 (рис.4).

2. Соединить мультиметр (вольтметр) приборного модуля с гнёздами 4 (рис.4) тумблера переключателя объекта измерений.

3. Включить тумблером «Сеть» приборного модуля электропитание, источник питания тумблером 7 на приборном модуле (рис. 1), мультиметр (вольтметр) 6 (рис. 1). Установить предел измерения напряжений мультиметра (вольтметра) 20В.

4. Убедитесь в том, что на входе источника питания отсутствует напряжение. При этом регулятор напряжения 9 (рис. 1) необходимо повернуть против часовой стрелки до упора.

5. Переключить тумблер 5 объектов измерений в положении для измерения напряжения на вольфрамовой проволоке (рис. 4).

6. Определить значения напряжения, подаваемые на вольфрамовую проволоку, при которых производятся измерения. Рекомендуемые значения напряжений, подаваемые на источнике питания: 2, 3, 4, 5, 6В.

7. Установить первое значение напряжения на источнике питания, следя за показаниями мультиметра (вольтметра). Произвести запись в табл.4.

8. Переключить тумблером объектов измерений на балластном сопротивлении.

9. Переключить предел измерения напряжения мультиметра (вольтметра) на 200МВ. Произвести отсчёт падения напряжения на балластном сопротивлении. Результат записать в таблицу.

10. Переключить предел измерения напряжения мультиметра (вольтметра) на 20В. Пункты 5–9 повторить для следующих значений напряжения на вольфрамовой проволоке.

Данные установки

Радиус нити: =

Внутренний радиус трубки:

Сопротивление нити при

Температурный коэффициент сопротивления нити:

Длина нити:

Балластное сопротивление:

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒