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

26834. Ротовая полость (губы, щеки, десна). Слюнные железы домашних животных 10.66 KB
  Ротовая полость губы щеки десна. Роговая полость cavum oris s. Ротовая полость включает в себя преддверие рта и собственно ротовую полость. Собственно ротовая полость саvum oris proprium это виутрениий шубный участок рта где лежит язык.
26835. Глотка 11.84 KB
  Внутреннее пространство глотки составляет полость глотки cavitas pharyngis. Соответственно органам расположенным кпереди от глотки она может быть разделена на три части: pars nasalis pars oralis и pars laryngea. Верхняя стенка глотки прилежащая к основанию черепа называется сводом fornix pharyngis. В отличие от других отделов глотки стенки ее не спадаются так как являются неподвижными.
26836. Твердое и мягкое небо домашних животных 9.05 KB
  Каудальный свободный конец мягкого неба принято называть небной дугой. Отверстие между небной дужкой свободным краем небной занавески и корнем языка называется зевом fauces. Латеральные края мягкого неба располагаются позади последнего коренного зуба фиксируются на небной и крыловидной костях и следуя в виде складки слизистой оболочки к корню языка образуют небноязычную дугу arcus glossopalatiims. palatines располагается в толще мягкого неба от хоанного края небных костей до свободного края небной дужки.
26837. Язык домашних животных.Язык — lingua 3.44 KB
  Язык lingua На нем различают: а корень radixlinguae б тело corpuslinguae в верхушку языка apexlinguaeЕстьуздечки языка frenulumlinguae.Сосочки: Нитевидные сосочки papillaefiliformes покрывают всю дорсальную поверхность тела и кончика языка. Конические сосочки papillaecorneae располагаются на корне языка. papillaefungiformes выступают среди нитевидных сосочков на' спинке кончике и краях языка.
26838. Зубы лошади и собаки 1.51 KB
  Зубы лошади и собаки. У собак зубы короткокоронковые. Молочные зубы меньше постоянных. Самые крупные секущие зубы sectorius.
26839. Зубы крупного рогатого скота и свиньи 1.73 KB
  молочные и постоянные форма конические. Постоянные зубы у самок не крупные. Постоянные зубы включают 4 премоляра и 3 моляра. Формула молочные 3130 3130 постоянные 3143 3143 КРСна нижней 8 резцов.
26840. Однокамерный желудок домашних животных 5.87 KB
  Однокамерный желудок домашних животных. Желудок ventriculus На левом участке желудка находится кардиальное отверстие ostiumcardiacum а на правом выход пилорическое отверстие ostiumpyloricum Передняя поверхность желудка faciesparietalis прилежит к печени и диафрагме а задняя висцеральная faciesvisceralis к кишеч' ным петлям. hepatog^stricum соединяющей желудок с печенью. У собаки желудок кишечного типа сравнительно большой.
26841. Многокамерный желудок жвачных 7.28 KB
  Рубец — rumen. В рубце различают два мешка [дорсальный — saccusdorsalis (5) и вентральный — saccusventral). Со стороны слизистой оболочки указанным желобам соответствуют складки — pilalongitudinalisdextraetsinistra, pilacranialisetcaudalis, которые обрамляют внутрирубцовое отверстие
26842. Анатомо-физиологические особенности строения и пищеварения молодняка жвачных 2.42 KB
  Во время питья молока и воды или акта сосания сокращаются мышцы губ пищеводного желоба; губы смыкаются и образуют трубку составляющую как бы продолжение пищевода. Смыкание губ пищеводного желоба это рефлекторный акт возникающий при раздражении рецепторов языка и глотки в момент глотания. Емкость пищеводного желоба очень мала поэтому молоко может проходить по нему в сычуг только небольшими порциями. С ростом телят значение пищеводного желоба уменьшается губы его грубеют и смыкаются не полностью.