Лабы Механика Спиридонов

3.Измерьте время τ движения шара между верхней и нижней метками на трубке вискозиметра (L = 100 мм). Для этого переверните вискозиметр таким образом, чтобы он зафиксировался в крайнем положении. Шар начнет медленно опускаться. В момент совпадения экватора шарика с верхней меткой на трубке вискозиметра включите секундомер, а в момент прохождения нижней метки - выключите. Результат занесите в таблицу.

4.Повторите измерение времени еще не менее двух раз. Вычислите среднее значение

ислучайную погрешность . Запишите результаты в таблицу.

5.Воспользовавшись краткой инструкцией по эксплуатации термостата (приложение), увеличьте температуру жидкости в вискозиметре не менее чем на 5 C . Наблюдая за дисплеем

термостата, дождитесь нагревания воды в ванне до заданной температуры. После этого момента необходимо выждать 1 - 2 мин, пока установится температурный режим в вискозиметре.

6.Измерьте температуру жидкости в вискозиметре по ртутному термометру. Результат занесите в таблицу. Выполните измерения, описанные в пп. 3 - 4, при данной температуре.

7.Постепенно увеличивая температуру с шагом не менее 5 C , измерьте зависимость

времени падения шара от температуры. Максимальная температура воды в термостате ограничена величиной 49 C . Не нужно пытаться задать температуру выше этого значения. По окон-

чании измерений задайте термостату температуру ниже комнатной, например 15 C .

8. На рис.4 приведен график зависимости плотности воды от температуры. С помощью этого графика определите значения плотности воды, соответствующие температурам, при которых проводились измерения. По формуле (8) рассчитайте значения вязкости воды при этих температурах. Результаты занесите в таблицу.

Рис.4. График зависимости плотности дистиллированной воды от температуры

161

9.Рассчитайте случайные погрешности определения вязкости . Для этого воспользу-

емся известным свойством погрешностей: если некоторая величина рассчитывается путем умножения и деления экспериментально измеренных величин, то их относительные погрешности при этом складываются:

ны быть нанесены с «полями погрешностей». Для этого необходимо воспользоваться соотношениями:

Погрешность измерения температуры можно считать T 0,1 K .

11.Согласно формуле (15) построенная зависимость должна быть линейной. Определите угловой коэффициент прямой и с его помощью рассчитайте величину молярной энергии активации Wm воды и ее погрешность.

12.Пересчитайте молярную энергию активации Wm в удельную в расчете на 1 г. Сравните результат с табличными значениями теплоты парообразования и теплоты плавления воды.

Сформулируйте выводы по результатам работы. Основные результаты сведите в табл.3.

Подготовка к работе

1. Физические понятия, законы:

вязкость жидкости и ее физический механизм; коэффициент динамической вязкости;вискозиметр Гепплера;ламинарное и турбулентное течение, число Рейнольдса;энергия активации.

2. Выведите формулы (8) и (9).

162

П р и м е ч а н и е. Пункты 2 - 4 выполните письменно при подготовке к лабораторной работе.

Рекомендуемая литература

1.Иродов И.Е. Механика. Основные законы. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 309 с.

§4.7.

2.Савельев И.В. Курс общей физики: в 4 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика: учеб. пособие/Под общ. ред. И.В. Савельева. - М.: КНОРУС, 2009. - 528 с. § 9.4; 9.7.

3.Серова Т.Б. Поверка и калибровка вискозиметров: учеб. пособие. - М.: АСМС; 2007. - 168 с.

163

и Кнопки выбора.

Сигнальные светодиоды:

Желтый светодиод «Нагреватель включен».

Синий светодиод «Холодильник включен». В нашей модели эта функция отсутствует.

«Тревога». В случае нештатной ситуации этот светодиод мигает красным цветом. Мигание сопровождается звуковым сигналом.

Порядок работы

Включить термостат, нажав кнопку включения питания. Раздастся звуковой сигнал длительностью 1 с.

После этого термостат производит самотестирование, которое длится около 1 с. Все это время на дисплее во всех разрядах горят восьмерки. По окончании самотестирования на дисплее появится световое значение текущей температуры жидкости в ванне.

После включения насоса часть воды из ванны уйдет в вискозиметр. Если нужно, долейте в ванну воды.

Установка температуры осуществляется с помощью меню. Краткий справочник по работе главного меню представлен на рис.П2.

Чтобы задать новое значение температуры, выполните следующую последовательность операций:

o нажмите кнопку ввода;

o кнопками выбора выберите пункт меню «Set»; o нажмите кнопку ввода;

o кнопками выбора установите новое значение температуры;

o нажмите кнопку ввода. Если кнопка ввода не нажата, то через 4 с введенное новое значение температуры будет принято автоматически.

Если введенная температура выше текущей, включится нагреватель.

В термостате отсутствует система охлаждения. Поэтому, если введенная температура ниже текущей, то охлаждение воды в ванне происходит путем теплообмена с окружающей средой.

165

Лабораторная работа № 15

Измерение теплопроводности

Цель работы: измерение коэффициента теплопроводности твердых тел.

Оборудование: теплоизолированный корпус со сменными стенками; лампа накаливания с термостатирующим блоком питания; термопары; мобильные измерительные приборы «Cobra4 Mobile-Link»; секундомер.

Продолжительность работы: 4 часа.

Теоретическая часть

При нарушении равновесия в системе она стремится вернуться в состояние равновесия. Происходящие при этом процессы носят название явлений переноса, так как они связаны с перемещением в пространстве энергии, массы, электрического заряда и т.д. К явлениям переноса относятся теплопроводность, диффузия, электропроводность и др. В данной работе исследуются явления, связанные с теплопроводностью твердых тел.

Для количественного описания процессов переноса используется понятие потока. В случае явления теплопроводности это поток тепловой энергии, или тепловой поток.

Тепловым потоком jQ называется количество тепловой энергии, протекающей через единицу площади в единицу времени:

jQ Q .

S t

В соответствии с определением единицей измерения теплового потока является 1 Вт/м2. Как уже отмечалось, необходимым условием возникновения теплового потока является от-

сутствие в системе теплового равновесия, т.е. неодинаковость температуры в различных точках среды. В этом случае говорят, что в системе имеется градиент температуры. В данной лабораторной работе градиент температур создается с помощью нагревателя, помещенного внутрь теплоизолированного корпуса. Рассмотрим протекание тепла через его стенку (рис.1).

Рис.1. Протекание тепловой энергии через стенку теплоизолированного корпуса

167

Введем следующие обозначения:

TВ1 1- температура воздуха внутри корпуса;

TС1 - температура внутренней поверхности стенки; TС2 - температура внешней поверхности стенки; TВ2 - температура воздуха в помещении;

d - толщина стенки.

Перенос тепловой энергии в этой ситуации складывается из трех процессов:

1) теплопередача воздух-стенка внутри корпуса. Экспериментально установлено, что тепловой поток линейно зависит от разности температур:

где α1 - внутренний коэффициент теплоотдачи;

2)теплопередача стенка-воздух с внешней стороны. По аналогии с предыдущим пунктом:

где α2 - внешний коэффициент теплоотдачи; 3) теплопроводность в стенке. Данный процесс определяется не только разностью темпе-

ратур, но и толщиной стенки. Эмпирически установленная зависимость:

где λ - коэффициент теплопроводности.

Если перенос тепла происходит в установившемся режиме, т.е. температуры TВ1 и TВ2 со временем не изменяются, то тепловой поток jQ в формулах (1) - (3) одинаков. Учитывая этот факт и исключая из этих уравнений TС1 и TС2 , получим:

Коэффициент теплопроводности λ зависит от температуры. Для большинства материалов эта зависимость близка к линейной:

отдачи, теплопередачи и теплопроводности.

1 Здесь и далее предполагается, что температура определяется по шкале Цельсия.

168

Описание установки

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис.2.

Рис.2. Внешний вид установки: 1 - измерительные приборы «Cobra4 Mobile-Link»; 2 - термостатирующий блок питания; 3 - секундомер; 4 - розетка питания внутренней лампы накаливания; 5 - переносная лампа накаливания для внешнего нагрева; 6 - разъем термодатчика; 7 - отверстия для ввода термопар;

8 - теплоизолированный корпус; 9 - термопары; 10 - съемные стенки

Для нагрева корпуса изнутри используется 100-ваттная лампа накаливания с кожухом. Ее питание осуществляется от розетки 4, расположенной на лицевой панели термостатирующего блока питания 2, благодаря которому внутренняя температура корпуса поддерживается постоянной. Датчик температуры прикреплен к кожуху лампы накаливания и подключен к блоку питания через пятиконтактные разъемы, расположенные на дне и на боковой стенке корпуса 6.

Для нагрева стенок корпуса снаружи может использоваться переносная лампа накаливания 5 мощностью 120 Вт.

Измерение температуры в различных точках установки осуществляется с помощью четырех термопар 9, попарно подключенных к двум измерительным приборам «Cobra4 MobileLink» 1. Краткая инструкция по работе с этими устройствами приведена в приложении. Отверстия 7 в угловой стойке корпуса 8 служат для введения в него термопар. Измерение времени производится с помощью секундомера 3.

Экспериментальная часть

Упражнение 1. Исследование явлений теплопередачи в процессе нагревания.

1. Поскольку при исследовании теплопередачи определяющую роль играет точность измерения температуры, перед проведением эксперимента необходимо проверить калибровку

169

термопар. Клейкой лентой соедините концы термопар в пучок. Включите измерительные приборы «Cobra4 Mobile-Link». Следя за показаниями приборов, дождитесь стабилизации измеряемых температур. Если показания термопар различаются более чем на 0,2 C , откалибруйте тер-

мопары, показания которых сильнее всего отличаются от среднего значения. Для этого воспользуйтесь пунктом меню Calibrate/Single-point (см. приложение, рис.П4).

2.Открутив крепежные гайки, снимите верхнюю крышку теплоизолированного корпуса. Ознакомьтесь с расположением лампы накаливания и исследуемых стенок. В корпусе должны быть установлены три деревянных стенки различной толщины и одна стенка из стекла. С помощью клейкой ленты закрепите термопары на внутренних и внешних поверхностях деревянных стенок с толщиной 2 и 3 см, обладающих наибольшей тепловой инерцией. Закреплять термопару необходимо так, чтобы ее термочувствительный контакт находился на одной высоте с угловыми отверстиями для ввода термопар и максимально близко к середине стенки по горизонтали. Для того чтобы термопары не отклеились при последующем нагревании, необходимо закреплять не только их кончик, но и подводящий провод, как это показано на рис.2. В процессе закрепления термопар выясните, на каком приборе регистрируются показания конкретной термопары. Это можно сделать, касаясь поочередно пальцами термочувствительных контактов каждой из термопар.

3.Закройте и плотно закрутите верхнюю крышку корпуса. Перед включением лампы накаливания необходимо сделать паузу длительностью около 5 мин, чтобы показания термопар стабилизировались. В это время начертите в рабочей тетради табл.1 и подготовьте лист миллиметровой бумаги, на котором будете откладывать экспериментальные точки зависимости тем-

ператур TC1 и TС2 обеих стенок от времени.

4.После паузы запишите показания термопар в табл.1. Затем включите блок питания лампы накаливания и поверните ручку регулировки температуры по часовой стрелке в крайнее

положение, что соответствует температуре внутри корпуса в стационарном режиме около 60 C . Одновременно с этим запустите секундомер.

5.Через каждые 5 - 10 мин записывайте время и показания термопар в табл.1. Нанесите соответствующие точки на график. В течение 70 мин система должна выйти на стационарный режим, после чего температуры стенок будут изменяться незначительно. Характерным признаком выхода на стационарный режим является также периодическое отключение лампы накаливания.

170