Литература

1. А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. Курс физики. – М., Высшая школа, 1999, гл. 9, гл. 11.

2. И. Е. Иродов. Физика макросистем. Основные законы: Учебное пособие для вузов. – М.: Лаборатории Базовых Знаний, 2001, гл. 1, гл. 3, гл.5.

Приложение

Данные установки:

Масса олова: М_О = 0, 07 кг ΔМ_О = 0, 005 кг

Масса ампулы: М_а = 0, 09 кг ΔМ_а = 0, 005 кг

Уд. теплоёмкость олова: с_о = 230 Дж/кг К

Уд. теплоёмкость ампулы: с_а = 380 Дж/кг К

Лабораторная работа I.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ

Цель работы:

Экспериментальное определение интегрального коэффициента теплового излучения тонкой вольфрамовой проволоки, нагретой электрическим током в интервале температур от 100 до 800 ^оС.

Теоретическое рассмотрение

Известно, что все тела являются источниками теплового излучения, подчиняющегося законам Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Модельным источником теплового излучения является АЧТ (абсолютно черное тело), т.е. тело, которое имеет коэффициент поглощения электромагнитного излучения, равный 1 во всём диапазоне частот. Реализацией этой модели является малое отверстие в замкнутой термостатированной полости. Закон Стефана-Больцмана для такого источника выглядит так:

, Вт/м²,

где С₀ = 5, 67 Вт/м²К⁴ – постоянная излучения АЧТ.

В природе абсолютное большинство тел – нечерные (серые) и для них используется модифицированный закон Стефана-Больцмана:

, Вт/м²,

где Е – полная излучательная способность серого тела,

- степень черноты полного излучения серого тела.

В основе калориметрического метода^٭, применяемого в настоящей работе, лежит уравнение для результирующего потока теплового излучения с поверхности вольфрамовой проволоки:

, (1)

где e₁ – интегральный коэффициент теплового излучения вольфрамовой нити; С_о – постоянная излучения АЧТ.

Поскольку площадь поверхности вольфрамовой проволоки (F₁₎ мала по сравнению с площадью поверхности оболочки (F₂ ):

F₁ << F₂, формула содержит только искомое значение e₁. Предполагается, что тела серые (тело называется «серым», если его коэффициент поглощения изменяется в диапазоне «0 – 1», одинаков для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности).

Для определения e₁ необходимо измерить температуру проволоки Т₁ и температуру стенки внутренней стеклянной трубки Т₂ (по шкале Кельвина) и определить плотность потока излучения с поверхности проволоки:

Е = Q/(pdl), (2)

где Q = U_R (U_o/R_o )- энергия, выделяемая электрическим током, проходящим через вольфрамовую проволоку, в единицу времени; d – диаметр вольфрамовой проволоки; l – длина проволоки.

Температура вольфрамовой проволоки определяется по формуле:

t₁ = , (3)

T₁ = ( 273.15 + t₁ ), К

где R_ОН - сопротивление вольфрамовой проволоки при t₁ = 0 ^оC;

R_t = U_R/I – сопротивление проволоки при данной температуре, где I = U_o/R_o; a - температурный коэффициент сопротивления вольфрама.

При отсутствии данных для R_он (сопротивление нити при t_н = 0 ^oC;) используются данные для R_нк при комнатной температуре t_к (измеряется R_нк мультиметром при отключённом нагревателе). При этом формула (3) для расчёта температуры вольфрамовой проволоки приобретает вид

,  ^ОC (4)

Схема экспериментальной установки и методика измерений

Схема экспериментальной установки приведена на Рис.1. На передней панели находится двухканальный измеритель температуры (2) типа 2ТРМО, подключённый к хромель-копелевой термопаре, универсальный вольтметр (2) типа MY-67 с автоматическим переключением пределов измерений, тумблер электропитания установки (3), разъёмы (V) для подключения вольтметра (2), тумблер (5) для переключения вольтметра на измерение падения напряжения на образцовом сопротивлении (U_о) и напряжения на вольфрамовой проволоке (U_н).

На Рис.2 приведена принципиальная схема рабочего участка, электрическая схема питания и измерений. Нагреваемая вольфрамовая проволока-нить (7) находится в цилиндрическом стеклянном баллоне (8) с двойными стенками, между которыми находится вода. Внутренняя трубка вакуумирована до 10^-5 мм рт.ст. Температура стенки этой трубки Т₂ считается равной температуре воды, циркулирующей между двойными стенками и постоянной в течение опыта. Она определяется хромель-копелевой термопарой (9), соединённой с измерителем температуры (2). Баллон с нитью укреплен в модуле (6), который находится на лабораторном стенде. Электропитание к вольфрамовой проволоке подводится внутри установки от источника питания (4) . Последовательно с вольфрамовой проволокой включено образцовое сопротивление (R_о) для определения величины электрического тока в цепи по измеренному значению падения напряжения на Ro. Для измерения напряжения на вольфрамовой проволоке U_R и напряжения на образцовом сопротивлении U_o к разъёмам V подключается мультиметр (1).