Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет

Предмет:

Физика

Файл:

физика лабараторные / l_r_12

.doc

Скачиваний:

Добавлен:

17.02.2016

Размер:

185.86 Кб

Скачать

☆

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал «Тобольский индустриальный институт»

Кафедра электроэнергетики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №12

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОЗДУХА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ»

по дисциплине: «Физика»

Тобольск 2008 г.

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Внимательно изучайте теоретическую часть работы.
Приступайте к выполнению работы только после сдачи допуска на проведение лабораторного практикума преподавателю или лаборанту.
В случае возникновения неисправности оборудования во время выполнения лабораторной работы немедленно отключить электропитание (отключить питание прибора кнопкой или тумблером «Сеть», либо выдернуть вилку из розетки) или выключить общий выключатель – автомат, о случившемся доложить лаборанту и преподавателю.
В случае возникновения вопросов по данной работе обращаться к лаборанту или преподавателю. Строго соблюдать общие инструкции по технике безопасности в лаборатории «Механика и молекулярная физика».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОЗДУХА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение теплопроводности, как одного из явлений переноса в газах.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: установка ФПТ 1-3.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Воздухом наполняют пространство между двумя коаксиальными цилиндрами, причем, внутренним цилиндром может быть просто тонкая проволока, которая является одновременно и нагревателем, и термометром сопротивления. Если через проволоку пропускать ток, а на внешней стенке наружного цилиндра поддерживать постоянную температуру, более низкую, чем температура нагревателя, то в кольцевом слое газа возникает радикальный поток теплоты, направленный от проволоки к стенке.

Распространение теплоты в газах происходит тремя способами: тепловым излучением (перенос энергии электромагнитными волнами); конвекцией (перенос энергии за счет перемещения слоев газа в пространстве из областей с высокой температурой в области с низкой температурой) и теплопроводностью.

Однако поток лучистой энергии при не высоких температурах и малом диаметре нагревателя составляют незначительную долю переносимого количества теплоты, а конвекция устраняется подбором диаметра наружной трубки и ее вертикальным расположением в установке. Поэтому, с достаточной точностью можно полагать, что передача теплоты от нагревателя к наружной трубке будет осуществляться только за счет теплопроводности.

Количество теплоты, прошедшее за одну секунду через цилиндрический слой газа, можно определить с помощью закона Фурье. Применим (1) к задаче с осевой симметрией, т.е.

(1)

рассмотрим два длинных коаксиальных цилиндра, пространство между которыми заполнено газом, коэффициент теплопроводности которого необходимо измерить.

Рис. 1

а рис.1 показано поперечное сечение этих цилиндров. В качестве внутреннего цилиндра служит натянутая нить (металлическая). Температуры поверхностей и радиусы внешнего и внутреннего цилиндров соответственно обозначим через T₁ и r₁, Т₂ и r₂.

При атмосферном давлении температура слоя газа, прилегающего к стенкам, равна температуре стенок. Следовательно, температура слоя газа, прилегаемого к нити соответствует Т₂, а прилегающего к стенкам цилиндра Т₁.

Выделим внутри газа кольцевой слой радиусом r, толщиной dr и длиной L. По закону Фурье (1) тепловой поток Q, т.е. количество теплоты, проходящее через этот слой за одну секунду, можно записать в виде:

(2)

Это уравнение можно решить методом разделения переменной:

(3)

Полагая x=const, в исследуемом диапазоне температур и, интегрируя обе части уравнения (3), получаем:

откуда (4)

Из уравнения (4) находим формулу для определения коэффициента теплопроводности:

(5)

здесь х - коэффициент теплопроводности исследуемого тела (газа), отнесенный к средней температуре этого газа;

- разность температур в слое газа,

Таким образом, для определения коэффициента теплопроводности, необходимо знать разность температур в слое газа и величину теплового потока Q.

Разность температур в слое газа можно найти косвенным методом, измеряя электрическое сопротивление нити. Запишем формулу для определения сопротивления нити при двух значениях температур:

(6)

где R_o - сопротивление нити при Т=0 С;

- температурный коэффициент материала проволоки.

Исключив из двух уравнений (6) R_o найдем

(7)

где .

Следовательно, для определения разности температур в слое газа, необходимо измерить температуру t₁ стенки наружного цилиндра и сопротивление нитки при температуре t₁ и некоторой более высокой температуре t₂.

После установления стационарного режима, при котором разность температур в слое газа не меняется со временем, тепловой поток можно принять равным мощности электрического тока в нити:

(8)

Подставляем (8) в (5), получаем:

(9)

здесь D,d - диаметры внешнего цилиндра и нити;

Т,-разность температур, определяемая по формуле (7), и соответствующий ей поток в нити.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для определения коэффициента теплопроводности воздуха предназначена экспериментальная установка ФПТ 1-3, общий вид которой представлен на рис.2.

Элементы установки:

1 - приборный блок БП - 3:

2 - блок РЭ-3;

3 - стойка;

4 - вольфрамовая нить;

5 - датчик температуры;

6 - стеклянная трубка.

Рабочий элемент состоит из стеклянной трубки 6, заполненной воздухом, по оси которой натянута тонкая вольфрамовая нить (проволока) 4. В течение эксперимента температура трубки поддерживается постоянной, что обеспечивается принудительной циркуляцией воздуха с помощью вентилятора между трубкой и кожухом рабочего элемента. Для измерения температуры трубки предназначен полупроводниковый термометр 5.

Сопротивление нити измеряется посредством электрического моста (см. рис. 3) одно плечо которого вольфрамовая нить (R_H), другое – магазин сопротивлений (R_M), вмонтированный в блок питания приборов установки 1. Сопротивления двух других плеч моста соответственно R₁=8 Ом, R₂=100 Ом.

Для измерения сопротивления необходимо установить порядок выполнения данной работы.

R_M

R_H

источник питания

R₁

R₂

Рис. 3

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить тумблер «ВКЛ» в модуль питания «СЕТЬ».

2. Нажать кнопку (режим измерения падения напряжения на эталонном резисторе).

3. Включить тумблер «ВКЛ» в модуле «НАГРЕВ».

4. Установить рукояткой «НАГРЕВ» напряжение не более 0,060 В (не греющий ток).

5. Нажать кнопку (режим измерения падения напряжения на нити) и зарегистрировать показания цифрового индикатора

6. Рассчитать тепловой поток по формуле:

где -падение напряжения нити;

-падение напряжения на эталонном резисторе;

-сопротивление эталонного резистора .

7. Нажать кнопку С (режим измерения температуры). Данная температура соответствует температуре окружающей среды.

8. Отпустить кнопку С.

9. Нажать кнопку и установить рукояткой нагрев напряжение в диапазоне от 0,3 до 1,6 В.

10. Выждать минуту для стабилизации теплового режима и определить падения напряжения на нити нажатием кнопки . Полученные показания занести в таблицу.

11. После измерения вывести ручку «НАГРЕВ» в крайнее левое положение.

12. Измерение произвести не менее 5 раз.

13. Рассчитать разность температур по формуле ,

где -температура нити,

-температура трубки, равная температуре окружающего воздуха.

Температура трубки в процессе эксперимента принимается постоянной, т.к. ее поверхность обдувается с помощью вентилятора.

Температура нити тем выше, чем больше протекающий по ней ток. С повышением температуры меняется сопротивление нити, измеряемое методом сравнения падений напряжения на нити и эталонном резисторе.

Разность температур нити и трубки определяется по формуле: