Экспериментальная часть

Описание установки

Устройство экспериментальной установки показано на рис. 1. Основной частью устройства является прозрачный цилиндр 1, в котором наблюдается и изучается насыщенный пар воды, генерируемый ячейкой 2. Переменное напряжение с генератора высокой частоты 3 поступает на преобразователь 4, который представляет собой плоский цилиндр из пьезоэлектрического материала с двумя нанесенными на параллельные плоскости металлическими электродами. Приложенное к электродам переменное напряжение вызывает колебания толщины преобразователя и в воде распространяется ультразвуковая волна, т.е. изменяющиеся в пространстве и времени колебания давления. Интенсивность ультразвуковой волны регулируется ручкой «Выход» и в рабочем режиме является достаточной для возникновения в воде явления кавитации, которое состоит в следующем. В областях низкого давления создаются благоприятные условия для парообразования. В областях высокого давления пузырьки пара, не успев конденсироваться, адиабатически сжимаются и существенно повышают свою температуру (до ). Часть этой тепловой энергии передается ближайшим слоям воды, что в свою очередь способствует испарению. Таким образом, ультразвуковой испаритель преобразует энергию волны в тепловую энергию паров, причем интенсивное распыление протекает при достаточно низкой средней температуре воды.

Рис. 1.

Распыляемые частицы из ячейки 2 вылетают в вертикальном направлении и распределяются в стеклянной трубке 1. Концентрация частиц воды на различных высотах измеряется по степени ослабления света, проходящего через цилиндр 1 в поперечном направлении.

Для этого служит оптоэлектронная пара, состоящая из излучателя света – лампы 5 и приемника - фотодиода 6. Фотодиод подключен к измерительному прибору – мультиметру 7, который используется как вольтметр и позволяет измерять ослабление света лампы на различных высотах при прохождении пучка света через стеклянную трубку, заполненную частицами, концентрация которых определяет прозрачность столба 1.

Положение оптоэлектронной пары определяется по измерительной линейке 8.

Рис. 2.

Внешний вид экспериментальной установки изображен на рис. 2. На передней панели расположены:

1 – мультиметр;

2 – тумблер включения осветителя – «лампа»;

3 – тумблер включения установки – «сеть» с индикацией;

4 – тумблер включения генератора – «сеть» с индикацией;

5 – ручка «выход» - регулировка количества частиц в потоке;

6 – линейка для отсчета положения измерительного блока;

7 – ячейка для исследуемой жидкости со стеклянной трубкой.

Порядок выполнения работы

1. Проверить наличие воды в ячейке генератора. Ячейка должна быть наполнена примерно наполовину, т.к. при малом уровне воды уменьшается продолжительность работы установки, при большом уровне – уменьшается эффективность «испарения».

2. Включить электронный блок кнопкой «сеть», но не включать генератор частиц (малый блок).

3. Включить осветитель.

4. Включить мультиметр на режим измерения 2000 мВ.

5. С целью исключения ошибок, рекомендуется до начала исследования проверить показания мультиметра вдоль всего цилиндра и убедиться в отсутствии больших отклонений ( ) показаний, которые могут обуславливаться локальными загрязнениями стекла, остатками водяных паров и росы, неучтенными тепловыми и световыми источниками и так далее. Если промеры «прозрачности» установки неудовлетворительны, то для продолжения работы необходимы сушка, разборка, протирка установки, что делается под непосредственным руководством лаборанта. Значение необходимо записать, т.к. оно потребуется при расчетах.

6. Включить ультразвуковой генератор. Вращая ручку «выход», убедиться в появлении тумана.

7. Перемещая оптоэлектронную измерительную систему, убедиться в изменениях показаний мультиметра.

Перед проведением измерений необходимо отрегулировать интенсивность работы «испарителя». При чрезмерно интенсивном испарении плотность паров увеличивается, при недостаточной интенсивности – плотность падает. При стационарном состоянии показания вольтметра не зависят от времени. Если туман «клубится», то измерения проводить не следует. Стабильный «столб» как правило, бледный, едва наблюдаемый. В качестве иллюстрации на рис. 3 представлены две кривые, одна из которых близка к прямой (кривая 1) и получена для стабильного состояния; другая (кривая 2) – описывает нестационарное состояние.

После стабилизации процесса целесообразно «не мешкая» промерить столб три раза и занести данные в таблицу (в первые три строки). Результаты расчетов записать в оставшиеся две строки.

Рис. 3.

Таблица:

	0	5	10	15	20

Обращаем внимание на то, что для расчетов целесообразно наличие инженерного калькулятора, способного вычислять логарифмы. В противном случае, даже с использованием подробных таблиц логарифмов, процесс обработки результатов будет более трудоемким и длительным.

По результатам измерений и расчетов построить график зависимости величины от высоты . Наличие прямой зависимости в специальных координатах подтверждает правомерность закона Больцмана.

С учетом погрешности отдельных измерений массу частиц целесообразно оценивать по усредненному наклону построенной кривой:

, (10)

а радиус частиц согласно (9).

Контрольные вопросы

1. Опишите явление ультразвуковой кавитации.

2. Как получить равновесное распределение взвешенных частиц по высоте?

3. По какому закону связаны концентрация и высота для малых частиц в поле тяготения земли?

4. В чем состоит закон Ламберта-Бугера?

5. Какие процессы может описывать уравнение Фоккера-Планка?

6. Физический смысл коэффициента диффузии.

7. От каких факторов зависит средняя масса взвешенных частиц?

8. Получите выражение для среднего радиуса малых частиц.

9. Как должен выглядеть график зависимости при нестационарном распределении частиц?

10. Какие требования техники безопасности необходимо учитывать в данной лабораторной работе?