Metodichki_k_virtualke
.pdfРабота № 17 Определение теплопроводности газов методом нагретой
нити
Цель работы: определение коэффициента теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.
В работе используются: вертикальная трубка с двойными стенками с натянутой внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное сопротивление 10 Ом и нагрузочное сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.
Если внутри сосуда с газом существует градиент температур, в газе возникают процессы, приводящие к выравниванию температуры. В обычных условиях среди этих процессов наибольшую роль играет конвекция. Конвекция появляется из-за того, что легкий теплый газ поднимается вверх, а на его место опускаются более холодные массы газа. Конвекция не возникает, если температура газа повышается с высотой, если объем газа невелик или если он разбит на небольшие каналы или ячейки. В последних случаях возникновению конвекционных потоков мешает вязкость. При отсутствии конвекции процесс переноса тепла замедляется, но не прекращается. Он происходит благодаря теплопроводности газа, связанной с тепловым движением молекул.
Выравнивание температуры получается при этом из-за непрерывного перемешивания
"горячих" и "холодных" молекул, происходящего в процессе их теплового движения и не сопровождающегося макроскопическими перемещениями газа. В данной работе исследуется этот случай.
Для цилиндрически симметричной установки, в которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его оси, справедлива формула:
T T |
|
Q |
ln |
R |
[1] |
|
|
||||
r R |
|
2 L |
|
r |
|
|
|
|
|
Уравнение [1] может служить для определения коэффициента теплопроводности
. При этом нужно знать радиусы нити r, цилиндра R, длину цилиндра L, поток тепла Q
и разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра Tr - TR.
Нить цилиндра нагревается электрическим током. После того как устанавливается стационарный режим, тепловой поток Q становится равен джоулеву теплу, выделяемому в нити, которое тепло легко рассчитать, зная сопротивление нити и силу протекающего по ней тока. Наибольшую трудность вызывает измерение температуры нагретой нити, но доступной непосредственному измерению.
Экспериментальная установка.
Схема установки представлена на рисунке ниже:
Проволока 1 натянута между упорами 3-4 внутри трубки 2. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой.
Температура стенок трубки поддерживается термостатом 10, который управляется с пульта 12. Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить 1 включена в схему измерительного моста Уитстона, состоящего из магазина сопротивлений 8, гальванометра 9,
нагрузочного 7 и эталонного сопротивлений 6. Параметры моста подобраны таким образом, что при балансе моста сопротивление магазина сопротивлений в 10 раз больше сопротивления нити. Вся схема подключена к источнику питания Е, параметры
которого задаются с пульта 11. |
|
|
|
Технические характеристики установки: |
|
|
|
- диаметр проволоки (1) |
0,1 мм; |
|
|
- внутренний диаметр трубки (5) |
8 мм; |
|
|
- длина проволоки (1) |
0,5 м; |
|
|
- материал проволоки |
вольфрам; |
|
|
- коэффициент температурного сопротивления |
4,6 10 |
3 Ом |
|
|
град |
||
|
|
|
|
- величина Rэт |
3,5 Ом; |
|
|
- величина rн |
35 Ом. |
|
|
ЗАДАНИЕ
1.Запустите работу.
2.Снимите при комнатной температуре зависимость сопротивления нити R от протекающего через установку тока I. Провести измерения для 4 5 минимальных значений напряжения.
Результаты измерений занести в таблицу №1:
Физ. величина |
TR |
U |
I |
R |
|
|
|
|
|
|
|
Ед. измерений |
К |
В |
А |
Ом |
|
Номер опыта |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Постройте график зависимости R f I 2 . Продлите график до пересечения с осью ординат, для определения значения сопротивления нити при I = 0. Запишите определенное значение Ro - сопротивление проволоки при комнатной температуре.
3.Нажать кнопки «Нагрев» и «Цирк». Для различных температур стенок трубки
TR (20 , 40 , 60 , 80 ) проведите измерения зависимости сопротивления нити R от протекающего через установку тока I при различных значениях напряжения, от минимального (1 В) до максимального (15 В), увеличивая напряжение с шагом 2 3
вольта. Записывайте в таблицу значения установленного напряжения V, протекающего тока I, сопротивления проволоки R.
4. Для каждого набора значений предыдущего упражнения рассчитать поток тепла, переносимый воздухом с проволоки:
10 |
2 |
|
|
|
|
|
||
Q R |
|
I |
|
|
|
|
[2] |
|
|
|
|
|
|
||||
11 |
|
|
|
|
|
|
||
и температуру поверхности проволоки: |
Tr |
Tокр |
|
R R0 |
[3] |
|||
R0 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Используя результаты вычислений по формулам [2] и [3] рассчитать по формуле [1] среднеинтегральные коэффициенты теплопроводности (Tср),
|
где |
T |
Tr |
TR |
- среднеарифметическая температура. |
|
|
|
|||
|
|
СР |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Постройте график зависимости f TСР . Сравните полученные значения с |
||||
табличными.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №2:
Физ. величина |
TR |
|
U |
|
I |
R |
Q |
Tr |
Tср |
|
Ед. измерений |
|
|
В |
|
А |
|
|
|
|
Вт |
|
оС |
|
|
Ом |
Вт |
К |
К |
|||
|
|
|
|
|
||||||
Номер опыта |
|
№ |
знач. |
№ |
знач. |
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|||||
1 |
|
1. |
|
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
2. |
|
|
|
|
|
|
|
20 |
3. |
|
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
|
4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
|
5. |
|
|
|
|
|
|
2 |
40 |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
3 |
60 |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
4 |
80 |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
6) рассчитать погрешность косвенных измерений;
7) привести окончательный результат.
Работа № 18 Определение теплопроводности твердого тела (пластина)
Цель работы: определение коэффициента теплопроводности твердых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала.
Количество теплоты Q , протекающее за единицу времени через однородную
перегородку толщиной d и площадью S |
при разности температур T , определяется |
|
формулой |
|
|
Q S |
T |
[1] |
|
d |
|
где - коэффициент теплопроводности, характеризующий свойства среды.
Значение коэффициента теплопроводности может быть определено непосредственно из формулы [1], если измерить на опыте величины Q, T, d и S.
Однако точное определение Q практически невозможно, поэтому в настоящей работе производится сравнение теплопроводности исследуемого материала с теплопроводностью некоторого другого эталонного материала с хорошо известным значением коэффициента . При этом можно избежать измерения Q. Суть метода следующая. Две пластинки, изготовленные из материалов с коэффициентами теплопроводности 1 и 2, зажимаются между стенками, температуры которых равны
T1 и T2 и поддерживаются постоянными во время опыта. Если толщины пластинок (d1
и d2) достаточно малы по сравнению с наименьшим линейным размером их поверхности, то можно пренебречь потерей тепла через боковые поверхности. Тогда можно считать, что тепловой поток протекает только от горячей стенки к холодной через пластины. В этом случае
Q 1 S |
T1 |
и |
|
|
Q 2 |
S |
T2 |
[2] |
|||||
d1 |
|
|
d |
2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Из [2] получаем окончательно |
|
1 |
|
d1 |
|
T2 |
|
|
|
|
[3] |
||
|
|
2 |
d |
2 |
T |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
где T1 и T2 - перепады температур на пластинках.
Зная теплопроводность материала одной из пластинок, используя формулу [3]
легко определить на опыте теплопроводность другой пластинки. Необходимо помнить о том, что формула [3] получается в предположении сохранения теплового потока неизменным через обе пластинки, что оправдано при толщине, очень малой по сравнению с радиусом пластинки, и при теплоизоляции боковых поверхностей пластинок.
Экспериментальная установка
Схема установки изображена на рисунке ниже:
Назначение и характеристика основных элементов установки:
1. Установка состоит из пластин (2) и (3), зажатых между нагревателем (1) и
холодильником (4). Пластина (2) изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина (3) - из исследуемого материала. Толщина пластины (2) - Lэт, толщина пластины (3) - Lиссл. Форма пластин - диск, радиус 20 см, причем толщина пластины более чем в 10 раз меньше диаметра. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста.
2. Нагреватель (1) подключен к регулируемому источнику питания (5), управление которым осуществляется с пульта (14). Сопротивление спирали нагревателя R - 50 Ом,
максимальная мощность - 800 Вт.
3. Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры.
Температура холодильника Tхол принимается равной температуре воды, установленной на термостате - 20 С , не регулируется.
4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (7), (8) и (9), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.
ЗАДАНИЕ
1.Запустите работу.
2.Запишите материал и толщину образцовой пластины.
3.Включите термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Включите источник питания.
4.Если проводится эксперимент с металлическими пластинами, то установите напряжение 25 В. Для прочих материалов установите напряжение 10 В.
5.Дождитесь установления теплового равновесия. Для ускорения процесса можно использовать функцию программы "Скачок во времени". Для металлических пластин достаточно 10 15 мин, для неметаллов - 3040 мин.
6.Запишите разности температур на пластинах.
7.Повторяйте п.п.4 6 для напряжений:
- металлические пластины |
25 В, 50 В, 100 В, 200 В. |
|
|
|
||||||||
- прочие материалы 10 В, 20 В, 35В, 50 В. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Физ. величина |
U |
T1 |
T2 |
|
T3 |
T1 |
|
T2 |
1 |
|
2 |
2ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ед. измерения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
В |
о |
о |
|
о |
К |
|
К |
Вт |
|
Вт |
Вт |
С |
С |
|
С |
|
м |
К |
м К |
м К |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
измерения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.Рассчитайте для каждого значения напряжения коэффициент теплопроводности,
найдите среднее значение.
9.По справочнику определите материал исследуемой пластины.
СанктПетербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)
Кафедра общей и технической физики.
ФИЗИКА НА КОМПЬЮТЕРЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.
ТАРИРОВКА ГАЗОВОГО ТЕРМОМЕТРА
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011 г.
СанктПетербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)
Кафедра общей и технической физики.
ФИЗИКА НА КОМПЬЮТЕРЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЦИКЛ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011 г.
СанктПетербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)
Кафедра общей и технической физики.
ФИЗИКА НА КОМПЬЮТЕРЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011 г.