Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 4

Определение коэффициента

теплоотдачи при естественной

конвекции

Симферополь 2002

Определение коэффициента теплоотдачи при

естественной конвекции.

Теоретическая часть работы

Процесс передачи тепла от одного тела к другому может осуществляться путем излучения, конвекции или теплопроводности. При распространении тепла в жидкой и газообразной средах ( при не слишком высоких температурах ) основную роль играет конвекция, так как теплопроводность большинства жидкостей ( исключение составляют жидкие металлы ) и газов мала.

Количество тепла, передаваемого конвекцией с единицы поверхности тела, нагретого до температуры T₁ , в единицу времени окружающей среде температуры T₂ , можно выразить в виде

Коэффициент называется коэффициентом теплоотдачи. Он является сложной функцией параметров среды (ее вязкости, плотности, теплоемкости и т.д.), формы тела и, вообще говоря, функцией температуры.

Количество тепла Q_L , излучаемое нагретым телом до температуры T₁ телом с единицы поверхности в единицу времени, определяется по закону Стефана-Больцмана

Здесь - универсальная постоянная (константа излучения), равная 5,6*10^-8 Дж/(м² *К⁴ ), а A – коэффициент, характеризующий поглощательную способность тела. Максимальной излучательной способностью обладает так называемое абсолютно черное тело, которое поглощает все падающие на него лучи. Для абсолютно черного тела А=1. Для всех прочих тел А<1. При теплообмене каждое тело не только излучает, но и поглощает излучение окружающих тел. При условии, что поверхность S₁ тела с температурой T₁ значительно меньше поверхности S₂ с температурой T₂ (при T₁> T₂ , S₁<< S₂), имеем

где А – коэффициент, характеризующий поглощательную способность тела с температурой T₁.

Если учесть возможность теплообмена как конвекцией, так и излучением, то для полного количества тепла, теряемого телом, получим

,

где - коэффициент теплоотдачи излучением, - суммарный коэффициент теплоотдачи.

Написанные в таком виде соотношения справедливы для установившегося процесса, то есть когда температуры Т₁ и Т₂ поддерживаются постоянными.

Целью настоящей задачи является экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и и установление зависимости коэффициента теплоотдачи от разности температур Т₁ - Т₂ .

Описание установки и выполнение работы.

Установка состоит (рис.1) из горизонтально расположенной медной трубки Т, внутри которой по оси натянута нихромовая проволока, закрепленная в пробках a и b. Проволока служит нагревателем – по ней пропускается электрический ток. Медная трубка нагревается и отдает тепло окружающему ее воздуху. Для измерения температуры наружной поверхности трубки на ней, на равных расстояниях друг от друга, укреплены семь термопар (медь-константан).

Рис. 1. Схема установки для определения коэффициента теплоотдачи

при естественной конвекции

Холодные спаи всех термопар помещены в сосуд А, находящийся при комнатной температуре. С помощью переключателя D любая из термопар может быть замкнута на гальванометр G (на рис.1 приведена схема включения на гальванометр четвертой термопары расположенной на середине трубки).

Ключи К₁ и К₂ служат для выключения цепей нагревателя и термопар. Реостатом R можно регулировать ток в нагревателе. Перед началом измерения собирают цепь нагревателя (с амперметром, вольтметром, реостатом и ключом) в цепь термопар (с гальванометром и ключом). После этого замыкают ключи К₁ и К₂. Уменьшая сопротивление реостата (при сборке схемы он должен быть включен на наибольшее сопротивление), доводят ток до 0,75 А.

Рис.2. Установка для определения коэффициента теплоотдачи

при естественной конвекции:

1. медная трубка

2. термопары

3. переключатель термопар

4. реостат

5. гальванометр

6. амперметр

7. вольтметр

По показаниям гальванометра, переключая на него поочередно все термопары, следят за изменениями температуры на поверхности трубки. По прошествии некоторого времени показания всех термопар перестают изменяться. Это будет означать, что количество теплоты, получаемой от нагревателя, равно количеству теплоты, отдаваемой трубкой в воздух, то есть процесс является установившимся. Количество тепла Q , подводимое к трубке по закону Джоуля-Ленца равно , откуда для коэффициента суммарной теплоотдачи, пренебрегая потоком тепла через торцы трубки, получим

,

где U – разность потенциалов (в вольтах) на концах проволоки-нагревателя, I – сила тока (в амперах), d – внешний диаметр трубки, L – длина трубки. Значения d и L написаны на установке.

Температуру Т₁ поверхности трубки при установившимся процессе определяют как среднее арифметическое из показаний всех термопар (пользуясь градуировочным графиком термопар). Температуру Т₂ окружающего воздуха измеряют обычным термометром.

Зная температуры Т₁ и Т₂ вычисляют (для меди А=0,70).

Зная и , по формуле определяют коэффициент теплоотдачи при конвекции. Эксперимент повторяют при более высоких температурах поверхности трубки. Рекомендуемые значения силы тока написаны на установке. Необходимо следить за тем, чтобы в момент каждого измерения процесс был установившимся.

Полученный экспериментальный материал необходимо представить в виде графиков

,

Литература

1. Р.В. Телеснин. Молекулярная физика. – М.: Высшая школа, 1965, Гл.6, §64-66.

2. Физический практикум, механика и молекулярная физика. Под ред.

проф. В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1967.

2