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

5 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

29671. Априорное и эмпирическое знание 380 KB
  Эмпирические корни психологии восходят к Леонардо да Винчи 1452 1519 великому флорентийскому художнику ученому гуманисту и гению механики эпохи Возрождения. Эти идеи послужили краеугольными камнями в фундаменте будущей эмпирической психологии. В связи с этим некоторые философы рассматривают Беркли как отца философского феноменализма а философский феноменализм как одно из оснований качественных исследований в психологии. Отсюда происходит принцип скептицизма эмпирической психологии.
29672. Категории как описания существенных, всеобщих свойств, отношений и закономерностей действительности 47 KB
  Первые психологические исследования были направлены на выделение и фиксирование эмпирических и феноменологических признаков психических явлений а также на раскрытие их специфических характеристик. Теоретический поиск объяснений и общих закономерностей ведется в терминах и понятиях того же языка на котором производится эмпирическое и феноменологическоеописание психических явлений. Определения психических явлений в контексте различных подходов к объяснению психики. По мере своего развития научные представления о сущности психических...
29673. Тверожок 13.51 KB
  По жирности: жирный 18 полужирный 9 нежирный. ПРОИЗВОДСТВО 1 СП КислотноСычужный а Подготовка нормализация молока по жирности пастеризация б Внесение закваски мезофильного стрептококка. ХРАНЕНИЕ в виде брикетов – пергамент целлофан картон с полимерным покрытием 01 с 10 ДНЕЙ НА СКЛАДАХ 8 С 36 ч в магазинах Органолептика: Зависит от жирности у нежирного консистенция рассыпчатая.
29674. Сгущенные молочные консервы 51.5 KB
  Цель изготовления– замена натурального молока в районах где его недостаточно. Получение: из натурального цельного молока выпариванием воды до 60 свекловичный сахар. Технология изготовления: 1 Подготовка молока и пастеризация. Кислотность молока используемого для приготовления молочных консервов не должна превышать 19 Т Тернера.
29675. Метод сбивания 21.55 KB
  Плазма масла в которой развивается остаточная микрофлора заменяется водой сохраняемость. Повышенное содержание СОМО У масла нету контакта с металлическим оборудованием скребками которое катализирует при хранении процесс окисления и порчи масла. Топленое масло получают путем перетопки сливочного масла масласырца и подсырного масла. Плавление масла осуществляется аналогично первому способу.
29676. Сыры 22.14 KB
  Сыры Пищевая ценность и потреб. Подклассы: терочные сыры с высокой Т второго нагревания сыры со средней Т сыры с низкой Т. сыры с активным молочнокислым брожением сыры с чеддеризацией сыры без чеддеризации Твердые сыры созревают с участием мезофильной поверхностной слизи и мезофильных м о. Класс: Мягкие сыры.
29677. МОРОЖЕНОЕ 15.66 KB
  Экспертиза качества: вкус характерный для каждого вида консистенция гомогенная без ощутимых кристаллов льда без комочков жира и стабилизатора. Стабилизаторы связывают свободную влагу и повышают вязкость смеси следовательно твердая консистенция мороженое медленнее тает. 0 ⁰С до 8 ч происходит гидратация молока молочный жир отвердевает консистенция становится гомогенной с хорошей взбитостью. ДЕФЕКТЫ Снежистая консистенция – мороженое было сильно взбито.
29678. Детские молочные продукты 15.22 KB
  5 Охлаждение Хранение не выше 6 ᵒС не более 48 ч. 5 Охлаждение 6 Заквашивание сквашивание 7 охлаждение И доохлаждение Хранение не выше 6 ᵒС 24 ч. Хранение не выше 6 ᵒС 48 ч. Хранение не выше 6 ᵒС 24 ч.
29679. Яйцо птицы 16.71 KB
  Классификация: срок годности и качество: диетические срок годности не более 7 сут не считая дня снесения столовые срок годности не более 25 сут не считая дня снесения диетические и столовые подразделяют на категории: высшая отборная первая вторая. Цвет куры большинства пород несут яйца белого цвета и лишь некоторые кремового. Хранение: 020 ᵒС диетические 7 сут столовые 25 сут а в холодильниках 20 С – 120 сут.13 25 сут в холодильниках 20 С – 120 сут.