22850

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ПОВІТРЯ

Лабораторная работа

Физика

Через довiльну коаксiальну поверхню радiуса y за одиницю часу пройде кiлькiсть теплоти 5 де l довжина дротини.Розділивши в виразі 5 змінні одержимо 6 де внутрішній радiус трубки температура дослiджуваного газу повiтря бiля внутрішньої поверхнi трубки а радiус дротини температура дротини. Зі співвідношення 6 випливає що 7 Таким чином для визначення коефіцієнта теплопровідності треба знати кiлькiсть теплоти яка щосекунди...

Украинкский

2013-08-04

182 KB

7 чел.

РОБОТА №15

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ПОВІТРЯ

Вступ. Передача теплової енергiї може вiдбуватися шляхом теплопровiдностi, конвекцiї або випромiнювання.

При теплопровiдностi кiлькiсть теплової енергії dq, яка передається за час  через площу S, що перпендикулярна до напрямку, в якому iснує градiєнт температури  , виражається рівнянням :

,                               (1)

де   -  коефіцієнт теплопровідності; вiн залежить вiд властивостей речовини. Знак  “-“  в  рівнянні / 1 / означає, що перенесення тепла вiдбувається в напрямку зменшення температури.

Теоретичні відомості

Використовуючи молекулярно-кінетичні уявлення можна розрахувати потік тепла в газі [1]. Вважатимемо, що підтримується градієнт температури вздовж певного напряму z. Тоді через площадку S, перпендикулярну  до цього напрямку, потоки молекул вздовж та проти осі z приблизно однакові і за спрощеними уявленнями рівні величині

           (2)

Кожна молекула несе на собі енергію , що відповідає температурі тому місці, де відбулося останнє зіткнення молекул перед перетином площі S. В середньому таке зіткнення відбувається на такій відстані від S, яка дорівнює довжині вільного пробігу . Тому молекулам, що летять в напрямі осі z слід приписати енергію, яка відповідає температурі , а молекулам, що летять в протилежному напрямі, - енергію, що відповідає температурі.

Після нескладних перетворень [1] для потоку тепла через перпендикулярну площадку S в додатному напрямі осі отримуємо вираз

     (3)

Тут - густина газу, - питома теплоємність газу. Порівнюючи формули (3) та (1) знаходимо вираз для коефіцієнта теплопровідності  газу

                      (4)

Опис методу. Одним з методiв визначення коефіцієнта теплопровідності газiв є такий. По осi цилiндричної трубки, в серединi якої знаходиться дослiджуваний газ, натягнута тонка дротина. Якщо через дротину пропускати електричний струм, а температуру трубки пiдтримувати сталою, то в напрямку радiуса трубки виникне градiєнт температури. 

Через довiльну, коаксiальну поверхню радiуса  y за одиницю часу пройде кiлькiсть теплоти

,                 (5)

де  l – довжина дротини.

Для стацiонарного процесу  Q  є постiйною величиною.Розділивши в виразі (5) змінні одержимо

,                         (6)

де   – внутрішній радiус трубки,  – температура дослiджуваного газу (повiтря) бiля внутрішньої поверхнi трубки, а   – радiус дротини,   – температура дротини. Зі співвідношення (6) випливає, що

,                                        (7)

Таким чином, для визначення коефіцієнта теплопровідності треба знати кiлькiсть теплоти, яка щосекунди переноситься до поверхнi трубки шляхом теплопровiдностi; рiзницю температур шарiв повiтря, прилеглих до поверхнi дротини та трубки ; радiуси дротини  () i трубки (), та довжину дротини l. За температуру стiнки трубки  приймають температуру оточуючего повітря, яка вимірюється термометром. Температуру дротини  можна визначити вимiрявши змiну її електричного опору.

Дійсно, в областi температур, при яких визначається теплопровiднiсть повiтря, електричний опiр дротини збiльшується за законом:

,                          (8)

Де  - опір дротини при t=0, R – опір дротини при t, α –температурний коефіцієнт опору.

Вимiрявши опiр дротини до її нагрiвання, а потiм опір –при температурі , і знаючи температурний коефіцієнт опору речовини дротини α, на підставі (8), одержимо :

,           (9)

Якщо  вважати, що вся теплота, яка видiляється струмом переноситься шляхом теполпровiдностi , то підставивши в (4) значення Q і  з (6), остаточно одержимо:

 

                           (10)

Цей вираз, очевидно, завищений, бо не вся теплота, яка видiляється струмом, передається поверхнi трубки шляхом теплопровiдностi. Частина теплоти може  передаватися конвекцією та випромiнюванням. Крiм того, частина теплової енергії може вiдводитися через контактнi провiдники, пiдведенi до дротини.

Щоб оцiнити кiлькiсть теплової енергії що випромiнюється дротиною, можна скористатися законом Стефана-Больдцмана, за яким з одиниці поверхні  абсолютно чорного тіла при температурі Т за одиницю часу  випромінюється  енергія.

.

Де стала σ = 5,735· .  

Будьяке тіло, що не є абсолютно чорним тілом, при тій же темппературі випромінює меншу енергію:

для довiльного тiла, де A – поглинальна здатнiсть тіла.Для всіх тіл А<І (наприклад для нікеля А=0, 4).

Якщо- абсолютна температура нагрітої дротини, а  поверхні трубки і якщо вважати, що все випромінювання дротини попадає на стінки трубки, то енергія, яка передається  через випромінювання буде:

,

де S-площа поверхні дротини.    -  температура дротини,    - температура повверхнi трубки.

Розрахована таким способом енергія, передана трубці череез випромінювання, становить кілька процентів від енергії, якавиділяється струмом, що тече по дротині.

Відносно впливу конвекції дослідпоказує, що в замкнутому просторі  малих розмірів конвекція практично відсутня, і процес передачі теплової енергії  визначається  тільки теплопровідностю і випромінюванням. Вплив конвеккції на процесс передачі теплової енергії  від дротинок до стінок трубки можна дослідити, вимірюючи коефіцієнт теплопровідності  при різних тисках повітря в трубці. Кількість теплової енергії, яка переноситься за рахунок конвекції, зменшується із зменшенням густини газу, тобто  із зменшенням тиску. Тому, якщо результати виміріваннь коефіцієнту теплопровідності із зменшенням тиску лишаються незмінними, можна вважати, що конвекція не впливає на передачу  теплової енергії   від дротини до стінок трубки. 

Вплив втрати теплоти  через кінці дротини можна врахуватидослідним шляхом, використовуючи не одну дротину, а дві з одного матеріалу, але різної довжини. В даній роботі впливом  кінців дротини можна на теплопередачу знехтуємо.

Опис установки. Приклад установки /рис.1/ складається з вертикально розташованої мідної трубки I довжиною l = 614 мм, діаметром =15 мм, по осі якої  натягнута стальна дротина діаметром = 0,34 мм. Її кінці виведені на клеми, що знаходяться на одному кінці трубки. Трубка через манометр 2 і резервуар 3 з’єднана з механічним насосом  4, за допомогою якого можна зменшувати тиск до 0,1 мм рт. ст. і підвищувати  до 4 атм. Резервуар 3 збільшує об’єм системи до, що приводить до більш плавної  зміни тиску при відкачуванні. Шкала манометра 2 проградуйована  в атмосферах так, що при атмосферному тиску в системі стрілка приладу показує нуль. Тому для визначення  тиску в трубці  до приладу треба додати величину атмосферного тиску, який  незалежно вимірюється анероїдом.

Вимірювання Коефіцієнт теплопровідності обчислюється за формулою (9). Для вимірювання  опору дротини збирається схема моста Уітстона (рис.2). Одним плечем моста служить сама дротина. Плечем з опором  є магазин опорів типу МСР60М. Опори r і  в схемі є незмінними. Вони підібрані так, що = . Змінюючи опір , можна зрівноважити міст, тобто досягти стану, при цьому виконується таке співвідношення між опорами  плечей моста: , тобто

              (11)

Гальванометр (тип ГПЗ- 47) вимикається кнопкою, яка розташована на панелі приладу внизу  зліва. Спочатку тумблер над цією кнопкою повинен бути  в положенні “грубо”. При цьому гальванометр вмикається  через великий запобіжний опір (перемикач К на рис.2). Коли , що зрівноважує схему, підібрано(риска в окулярі гальванометра  встанвлюється проти нуля шкали), тумблер над кнопкою включення гальванометра переключають в положення “точно”(прицьому тумблером К закорочується запобіжний опір). В схемі моста  остаточно підбирають опір .

Схема живиться  від джерела постійного струму ВСА-01А напругою 12В. Струм через дротину (температура дротини) регулюється  за допомогою опорів (опори 1,2 на рис.2), які переключають центральним тумблером на панелі приладу з позначками “нагрев” і “викл.”(тумблер  на рис.2).

Для виміювання  опору дротини  при кімнатній температурі центральний  тумблер повинен бути в положенні “викл.”. При цьому струм іде через великий опір, і температура дротини практично дорівнює кімнатній температурі.

Для вимірювання опору дротини R при довільній температурі  центральний тумблер повинен бути в положенні “нагрев”. При цьому збільшується сила струму через дротину, і вона нагріється. Цей струм можна регулювати потенціометром “регулировка нагрева” (на рис.2 не показано). Силу струму , що проходить по дротині, можна визначити, знаючи силу струму , яку показує амперметр. Якщо, міст зрівноважений, , звідки , але в нашому випадку , тому..

Тиск в системі змінюють за допомогою насоса.

Порядок вимірюваннь. Вихідне положення  тублерів на панелі приладу: лівий - положенні “грубо”, центральний - в положенні “викл.”.

  1.  При атмосферному  тиску  і кімнатній температурі вимірюється  опір дротини. Для цього  натискується кнопка, яка включає гальванометр, і за допомогою магазина опорів  підбирається опір дротини , при якому міст збалансовано (риска в окулярі  співпададає з нулем шкали). Після цього лівий тумблер переключається  положення „точно” і більш точно підбирається значення опору . Опір дротини  визначається за (9). Далі тумблер включається  в положення „нагрев”, за допомогою потенціометра послідовно встановлюються струми  0,6; 0,7 та 0,8А і описаним способом визначається  опір дротини в кожному  з цих випадків.
  2.  Аналогічні виміри   та  виконуються при тисках 500, 350 та 200 мм рт. ст..Для цього спочатку визначається  ціна поділки манометра в мм рттутного стовпчика. Кран 5 на установці (рис.1) весь час відкритий. Кран 6 обережно відкривається після запуску насоса. Його закривають після встановлення потрібного тиску і виключення насоса. Встановивши потрібний  тиск в системі вимірюють  опір дротини  і   при різних струмах.
  3.  За формулою (9) розраховують  коефіцієнт теплопровідності  при різних температурах і тисках. Температурний  коефіцієнт опору дротини α =0, 003 .  

Додаткові завдання:

1. Проаналiзувати залежнiсіть одержаних значень коефіцієнта теплопровідності повiтря від тиску і температури. Пояснити цю залежність.

2. За формулою молекулярно-кінетичної теорії  для коефіцієнта теплопровідності газів  розрахувати цей коефіцієнт, виразивши відповідним способом величини, які входять в формулу. Розрахунки виконати для тих температур,при яких були виконані виміри. Порівняти  теоретичні та експериментальні значення .

Література:

1. Савельев И. В., Курс общей физики. М.; Наука, 1987, с. 410-413.

Рис. 1

Рис.2

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11218. Фонемный состав английского языка. Гласные 131 KB
  ЛЕКЦИЯ 7 Фонемный состав английского языка. Гласные. Релевантные и нерелевантные признаки в системе английских гласных фонем. Система фонологических оппозиций и принципы классификации английских гласных фонем. Фонологический статус английских дифтонго...
11219. Фонемный состав английского языка. Согласные 130 KB
  ЛЕКЦИЯ 6 Фонемный состав английского языка. Согласные: Релевантные и нерелевантные признаки в системе английских согласных фонем. Принципы классификации английских согласных фонем. Система английских согласных фонем. Различные трактовки английских аффр
11221. Фонетическое слово, синтагма, фраза, фоноабзац, текст. СЛОГ 93.5 KB
  Лекция 9 Фонетическое слово синтагма фраза фоноабзац текст. СЛОГ На предыдущей лекции мы выяснили что слог представляет собой симбиозную фонетикофонологическую единицу. Просодические единицы такие как например ударение и тон влияют в большей степени на сло
11222. Фоностилистическая дифференциация речи. Предмет и задачи фоностилистики 121 KB
  ЛЕКЦИЯ 14. Фоностилистическая дифференциация речи. Предмет и задачи фоностилистики. Как мы убедились в предыдущих лекциях произношение не может быть однородным. Оно меняется под воздействием многочисленных факторов. Поскольку эти факторы никак не влияют на переда...
11223. Discuss different opinions of the threat of population growth on our planet 24 KB
  Discuss different opinions of the threat of population growth on our planet. From the very start I want to admit that population growth as well as other global problems in the world is an urgent one. For decades the population explosion has been giving people nightmares. The worlds population increases by 3 every second and by a billion every decade. With figures such as these the gloom is understandable. There school of thought that the battle to feed all the humanity is over....
11224. Talk about the problems a newly-independent state is confronted with 23.5 KB
  Talk about the problems a newlyindependent state is confronted with. Chinese people say that the worst thing is to live in the time of changes. With the rich choice of possible way of further development comes a bunch of problems as well. Its especially true for newlyindependent states. Id like to illustrate this on the example of Samoa. For centuries time stood still in Samoa. The people worked at banana plantations and respected the customs that the family chiefs presented abso...
11225. Talk on how parents feel about their children travelling on their own for the first time 23.5 KB
  Talk on how parents feel about their children travelling on their own for the first time. It goes without saying that parents is always get worried when their children go abroad to visit new places and get to know other ways of living. Without any doubt traveling is necessary for all of us as it broadens our minds and horizons its kind of relaxation and a wonderful opportunity to get away from it all. When children go on a journey they relax their body refresh their spirits and renew ...
11226. Talk about stereotyped ideas that people may have about the way of life in oyher countries 24.5 KB
  Talk about stereotyped ideas that people may have about the way of life in oyher countries. Nobody wants to be average. So generalizations about nations arent usually welcomed though sometimes they are quiet accurate. The dangers may go even deeper when someone tries to generalize from his own limited experience. The Americans for instance are the nation about which numerous stereotyped ideas exist. They are created as a rule by the people who have never been to the USA but n...