2. Порядок измерений.

В длинный стеклянный цилиндр, расположенный вертикально, наливают жидкость, коэффициент вязкости которой нужно определить. На цилиндр наносят две горизонтальные метки К₁ и К₂ на расстоянии l друг от друга. При определении коэффициента вязкости употребляют маленькие металлические шарики, диаметр которых измеряют под микроскопом. Для измерения диаметра шарик кладут на предметный столик микроскопа, вращением кремальерного винта микроскопа подводят объектив к шарику (но не касаясь шарика). Затем, наблюдая через окуляр, медленным вращением кремальерного винта поднимают объектив и устанавливают ясную видимость контура шарика. Отсчитывают число делений окулярного микрометра, которое укладывается на диаметре шарика. Если цена деления окулярного микроскопа равна n, а на диаметре укладываются N делений, то диаметр равен .

Измерив диаметр шарика, подносят его к поверхности жидкости, ближе к центру, а глаз устанавливают против верхней метки К₁ так, чтобы она вся сливалась в одну прямую. Опускают шарик в жидкость и в момент прохождения шарика через метку пускают в ход секундомер. Затем аналогичным образом устанавливают глаз против нижней метки К₂ и в момент прохождения шарика через вторую метку останавливают секундомер. Верхняя метка наносится с таким расчётом, чтобы скорость шарика при подходе к метке была уже установившейся, следовательно . Подставляя эти значения в формулу (4), получим расчетную формулу:

, (5)

где - величина для данного прибора постоянная.

Необходимо сделать не менее 10 измерений. Все результаты измерений записывают в таблицу.

Рекомендуемая форма протокола выполнения лабораторной работы приведена ниже.

Протокол выполнения лабораторной работы

Плотность материала шарика =

Плотность жидкости =

Расстояние между метками l=

Цена деления окулярного микроскопа n=

Постоянный множитель k=

NN n/n
1
. . .
10

В результате работы должны быть представлены: среднеарифметическое значение измеренной величины вязкости , среднее значение модуля абсолютной погрешности измеренияи относительная погрешность измерения

Контрольные вопросы

1. Какие явления переноса Вы знаете.

2. Что называется вязкостью?

3. Напишите уравнения, описывающие явления внутреннего трения и коэффициента вязкости.

4. Как изменяется коэффициент вязкости при изменении температуры.

Раздел 3. «Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити»

1. Краткая теория.

Движение молекул газа в термодинамически равновесной системе полностью хаотично. Из основных представлений кинетической теории следует, что газы испытывают в 1 секунду порядка столкновений (соударений). Число столкновений (среднее) за 1с

,

где d – эффективный диаметр молекулы газа; n – концентрация (т.е. число молекул в единице объёма); ;- среднеарифметическая скорость молекул.

Расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями, называется средней длиной свободного пробега :

.

В газах и жидкостях вследствие хаотичного движения молекул происходит необратимый процесс переноса различных физических величин. Эти явления объединяются общим названием «явления переноса».

Перенос энергии происходит вследствие хаотичного движения молекул из областей с более высокой температурой и обладающих большей энергией () в области с более низкой температурой. Этот процесс называетсятеплопроводностью. Перенос энергии определяется уравнением:

,

где Q – количество теплоты, перенесённое через изотермическую площадку , перпендикулярную осих, за время ;- градиент температуры;– коэффициент теплопроводности;

;

- удельная изохорическая теплоёмкость.

Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности воздуха, находящегося вокруг нагретой электрическим током нити.

Схема модуля для проведения измерений приведена на рис. 2.

Нагреваемая вольфрамовая нить находится в цилиндрическом стеклянном баллоне с двойными стенками, между которыми залита вода. Температура воды в баллоне и, следовательно, температура стенки трубки Т_с постоянна в течении опыта. Для устранения влияния конвекции на результаты измерений трубка с нитью установлена вертикально. При этом конвективные воздушные потоки направлены вдоль оси системы и не влияют на радиальный градиент температуры. На панели модуля расположены: 1 – баллон с нитью; 2 – гнёзда для подключения источника питания; 3 – гнёзда для подключения вольтметра (мультиметра); 4 – тумблер переключения объектов измерения.

4

Рис. 2.

При нагревании нити вдоль радиуса трубки создаётся градиент температуры. Площадь, через которую передаётся тепло, равна площади поверхности цилиндра коаксиального с нагретой нитью. При этом можно записать:

, (1)

где l – длина цилиндра радиуса r.

Из (1) можно определить тепловой поток через внутреннюю цилиндрическую поверхность трубки радиуса :

(2)

где - радиус нити,Т_Н – температура нити.

Опыт проводится при постоянной температуре трубки, равной Т_с. При этом увеличение электрической мощности, выделяемой в нити, на величину dР приводит к возрастанию её температуры на . Поэтому из (2) следует:

. (3)

Так как вблизи нити теплопроводность воздуха определяется её температурой, то в (3) величина (Т_Н) относится к температуре нити Т_Н. При возрастании температуры нити на dТ_Н дополнительный перенос тепловой мощности dР от нити к стенке трубки определяется только теплопроводностью слоя воздуха вблизи нити. Из соотношения (3) получим:

. (4)

Для определения производной необходимо знать зависимость , которую находят по экспериментальным данным. Мощность, выделяющаяся в нити,, находится по напряжению, измеренному на нити, и току, текущему через эталонное сопротивление, включенное последовательно с нитью. Для определения тока измеряется напряжениена эталонном сопротивлении. Температура нити определяется из соотношения:

, (5)

где - сопротивление нити при(Ом);- сопротивление нити при температуре опыта (Ом);- температурный коэффициент сопротивления материала нити (1/град.). Формула (4) позволяет по найденной экспериментальной зависимостиопределить.

Дифференцируя (5) получаем:

. (6)

Подставляя dТ_Н из (6) в (4), получаем:

. (7)

Формула (7) позволяет использовать для вычисления производную, определенную по графику зависимости.