4. Опис лабораторної установки

На експериментальній установці (рис.6.3) досліджується теплова конвекція від ніхромового дроту 1, по якому від джерела живлення 5 і стабілізатора напруги пропускається електричний струм. Струм регулюється реостатом 2 і вимірюється амперметром 3, а падіння напруги на дроті вольтметром 4.

Дріт закріплений вертикально на кронштейні 11 за допомогою верхньої клеми 10 і пропущений через спеціальну ковзну нижню клему 8.

Натяг проводу створюється вантажем 7, а зміна довжини проводу при нагріванні вимірюється за допомогою механічного мікрометра 6. Дріт загороджений захисною скляною трубкою 9.

Рис. 2- 3. Схема установки:

1. Ніхромовий дріт; 2. Реостат; 3. Амперметр; 4. Вольтметр;

5. Джерело живлення; 6. Мікрометр; 7. Вантаж; 8. Нижня клема;

9. Скляна трубка; 10. Верхня клема; 11. Кронштейн.

5. Опис методики експерименту

Потік тепла (Вт), що передається нагрітим електродротом у навколишнє середовище, дорівнює:

Q = U · I (6.9)

де I - сила струму, що протікає по дроту (А); U - падіння напруги (В).

Частина цього тепла втрачається випромінюванням (оскільки тонкий шар повітря і скляна трубка є практично прозорими для інфрачервоного випромінювання), а частина теплопровідністю через клеми. Тому конвекцією передається потік тепла:

Q_конв.= Q – Q_рад.– Q_кл. (6.10)

Втрати на випромінювання (радіацію) Q_рад. у порівнянні з Q_конв. невеликі і визначаються за формулою Стефана-Больцмана через абсолютну температуру дроту T_С і середню абсолютну температуру навколишнього повітря (рідини) T_P, К:

(6.11)

де ε – ступінь чорноти тіла (для ніхрому ε = 0,4);

С – коефіцієнт Больцмана (С = 5,67 Вт/м^2·К⁴), F – поверхня дроту.

Втрати через клеми визначені при налагодженні стенда і складають 2,2% від значення Q.

Q_кл = 0,022Q (6.12)

Середня температура поверхні електродроту з достатньою точністю визначається із залежності коефіцієнта лінійного розширення від температури

l_t = l_п [1 + a(t_C – t₀)+b(t_C – t₀)²],

де l_t, l_п – довжина дроту при температурах, відповідно, t_C та t₀.

Для дроту з ніхрому a = 0,12·10^–4; b = 0,875 · 10^–8. Тоді, вводячи величину подовження струни Δl = l_t – l₀ (що відповідає зростанню температури на Δt ), одержимо:

Звідси, знаючи початкову довжину дроту l_П і його подовження в результаті нагрівання Δl, можемо визначити температуру нагрітої поверхні t_C:

(6.13)

Початкова довжина дроту l_П і його діаметр d, зазначені на лабораторному стенді. Площа поверхні дроту (поверхні теплообміну) обчислюється за формулою для поверхні циліндра:

F = πdl_П (6.14)