37897

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

Лабораторная работа

Физика

12 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 127 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ Цель работы Изучение теплопроводности в газах и определение коэффициента теплопроводности воздуха. В твердых телах распространение тепла может происходить как путем теплопроводности так и путем конвекции или того и другого способа одновременно. Основным законом теплопроводности является закон Фурье который в одномерном случае распространения тепла в одном направлении пусть вдоль оси х имеет вид:...

Русский

2013-09-25

268.5 KB

113 чел.

Содержание

               

  1.  Цель работы……………………………………………………………..4
  2.  Теория метода……..….…………………………………………………4
  3.  Экспериментальная установка……….………………………………...9
  4.  Требования по технике безопасности………………………………..10
  5.  Порядок выполнения работы…………………………………………10
  6.  Требования к отчету…………………………………………………...11
  7.  Контрольные вопросы…………………………………………………11

Список литературы………………………………………………………..12


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 127

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

  1.  Цель работы

Изучение теплопроводности в газах и определение коэффициента теплопроводности воздуха.

  1.  Теория метода

Теплопроводностью называют процесс передачи тепловой энергии из областей тела с большей температурой в области с меньшей температурой за счет хаотичного теплового движения микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов, электронов) и их взаимодействия, при котором не происходит перемещения вещества. Перенос энергии, связанный с перемещением большого числа частиц на значительные расстояния, называют конвекцией. В твердых телах распространение тепла может происходить как путем теплопроводности, так и путем конвекции (или того и другого способа одновременно).

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который в одномерном случае распространения тепла в одном направлении, пусть вдоль оси х, имеет вид:

                                                  dQ = – æ  dS dt,                                               (2.1)

где dQ – количество теплоты, переносимое за время dt через площадку площадью dS, расположенную перпендикулярно оси х,  – проекция вектора  градиента температуры на эту ось х, æ – коэффициент теплопроводности, физический смысл которого, как следует из (2.1), заключается в том, что он равен количеству теплоты, переносимому за единицу времени в данном направлении через единичную перпендикулярную ему площадку при единичной проекции градиента температуры на указанное направление. Наличие в уравнении (2.1) знака минус обусловлено тем, что вектор градиента температуры направлен в сторону ее возрастания, а поток тепла – в сторону ее убывания.

Для идеального газа

                                         æ = ,                                      (2.2)

где ρ – плотность газа, λ – средняя длина свободного пробега молекул,  < VT > – средняя скорость теплового движения молекул, CV – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.

Рассмотрим распространение тепла в газе, заключенном между двумя коаксиальными (соосными) цилиндрическими поверхностями с длиной l, намного превышающей их радиусы r1 и r2, на которых поддерживается постоянная температура. Пусть на внутренней поверхности (с радиусом r1) она равна T1, а на внешней                           (с радиусом r2) – T2, причем T1 > T2. В этом случае будет происходить стационарный, т.е. не меняющийся со временем, процесс передачи теплоты от внутренней поверхности к внешней. При этом температура газа и модуль ее градиента в любой точке пространства между поверхностями будет зависеть только от одной переменной – расстояния r от общей оси поверхностей до рассматриваемой точки, а сам вектор градиента во всех точках будет направлен вдоль радиальной прямой, лежащей в плоскости поперечного сечения поверхностей, в сторону внутренней поверхности (рис. 2.1).

Представим себе расположенную между поверхностями соосную цилиндрическую оболочку некоторого радиуса r (r1 < r < r2) с той же длиной l, что и у поверхностей с радиусами r1 и r2. Количество теплоты, переносимое за время dt через участок оболочки площадью dS, согласно уравнению Фурье (2.1) будет равно

                                     dQ = – æ ,                                  (2.3)

а тепловой поток q через всю боковую поверхность оболочки S0, равный количеству теплоты, переносимой через нее за единицу времени, равен

q = = æ.                                 (2.4)

Так как значение . Для всех элементарных участков одинаково, то

q = –  æ= –  æ.                              (2.5)

Учитывая, что S0= 2π r l, мы получаем следующее дифференциальное уравнение относительно r и Т:

q = –  æ2π r l .                                       (2.6)

В стационарном режиме (при постоянных Т1 и Т2) q является величиной постоянной. Для этого случая переменные в уравнении (2.6) разделяются:

.                                     (2.7)

Интегрируя (2.7)

                                  

имеем

                                           .                               (2.8)

Откуда получаем формулу для определения коэффициента теплопроводности газа:

                                            æ = .                                        (2.9)

Эта формула получена в предположении, что теплота переносится от внутреннего к наружному цилиндру только благодаря теплопроводности. Это предположение будет обоснованным при невысоких температурах и малом диаметре нагревателя поскольку в этом случае поток лучистой энергии составляет незначительную часть переносимого количества теплоты, и при отсутствии конвекции, которую можно устранить подбором диаметра наружного цилиндра и его вертикальным расположением в экспериментальной установке.

Внутренним цилиндром может служить тонкая проволока (нить), обычно вольфрамовая, которая нагревается электрическим током. При включении тока после установления стационарного режима при r2 << L потерей тепла через торцы цилиндра с газом можно пренебречь и считать, что тепловой поток равен мощности электрического тока, выделяющейся в проволоке:

                                                  q = IH UH,                                               (2.10)

где IH – ток через проволоку, UH – падение напряжения на проволоке.

Если последовательно с проволокой включить эталонный резистор сопротивлением R, то

                                                  IH =                                                     (2.11)

и                                                 q = ,                                             (2.12)

где U – падение напряжения на эталоном резисторе. Подставляя это значение q в (2.11), получим

                                              æ = ,                                     (2.13)

где D и d – диаметры наружного цилиндра и проволоки,        –  разность температур проволоки и наружного цилиндра (трубки).

Температуру трубки ТТ при несильном нагреве проволоки можно принять равной температуре окружающего воздуха.

Для вычисления разности температур  используем формулы, по которым определяют сопротивление проволоки RН.0 при температуре окружающего воздуха (t0) и в нагретом состоянии (RН) при   температуре t:

      RН.0 = R0 (1 + α t0),                                     (2.14)

RН. = R0 (1 + α t),

где R0 – сопротивление проволоки при t = 0°С, α – температурный коэффициент сопротивления материала проволоки.

Исключив из этих равенств R0, найдем

                                .                        (2.15)

Учитывая, что ,  ,     и  , получим:

                                 ,                            (2.16)

где UН и UН.0 – падение напряжения на проволоке соответственно в нагретом состоянии и при температуре окружающего воздуха t0;          UР и UР.0 – падение напряжения на эталонном резисторе соответственно при нагретой проволоке и при температуре окружающего воздуха t0.

  1.  Экспериментальная установка

Для определения коэффициента теплопроводности воздуха предназначена экспериментальная установка ФПТ 1-3, общий вид которой показан на рис. 3.1.

Рабочий элемент установки представляет собой стеклянную трубку, заполненную воздухом, вдоль которой натянута вольфрамовая проволока 4. Температура трубки в ходе эксперимента поддерживается

постоянной, благодаря принудительной циркуляции воздуха между трубкой и кожухом блока рабочего элемента 3, которая осуществляется с помощью вентилятора, находящегося в блоке рабочего элемента 2.

Рис. 3.1.Экспериментальная установка: 1– блок приборов; 2 – цифровой вольтметр; 3 – блок рабочего элемента; 4 – вольфрамовая проволока;

5 – стойка; 6 – датчик температуры (термопара)

Значение падения напряжения на эталонном резисторе UР и на проволоке UН измеряются цифровым вольтметром. Значение напряжения на проволоке устанавливается регулятором «Нагрев», который находится на передней панели блока приборов 1. Геометрические размеры рабочего элемента (диаметр трубки D, диаметр проволоки d, длина трубки l) и температурный коэффициент сопротивления материала проволоки α указаны на рабочем месте.

4. Требования по технике безопасности

1. Прежде чем приступить к измерениям, внимательно ознакомьтесь с установкой и порядком выполнения работы.

2. Не оставляйте без присмотра включенную установку. По окончании работы обязательно обесточьте ее.

5. Порядок выполнения работы

  1.  Включить установку тумблером «Сеть». Включить тумблер «Нагрев».
  2.  Нажать кнопку «UР» (режим измерения падения напряжения на эталонном резисторе) и с помощью регулятора «Нагрев» установить падение напряжения не более 0,06 В, при котором температура проволоки остается практически неизмененной («нагревающий» ток).
  3.  Нажать кнопку «UН» (режим измерения падения напряжения на проволоке) и зарегистрировать значение напряжения.
  4.  Повторить измерения по пп. 2–3 для 3–5 значений        напряжения UР0. Все результаты занести в таблицу.
  5.  Нажать кнопку «UР» и с помощью регулятора «Нагрев», установить падение напряжения на эталонном резисторе UР в  диапазоне 0,3…1,5 В.
  6.  Подождав 2 минуты, что необходимо для стабилизации теплового режима рабочего элемента, нажать кнопку «UН» и определить падение напряжения на проволоке UН.
  7.  Повторить измерения по пп. 5–6 для 3–5 значений падения напряжения UР. Результаты занести в таблицу.
  8.  Установить ручку регулятора «Нагрев» на минимум. Отключить тумблер «Нагрев», после чего отключить установку тумблером «Сеть».
  9.  Для каждого измерения по формуле (2.16) рассчитать разность температур ΔΤ, а по формуле (2.13) – коэффициент теплопроводности æ и занести полученные значения в таблицу.
  10.  Найти среднее значение коэффициента теплопроводности воздуха <æ>.
  11.  Оценить погрешность результатов измерения.

Таблица

Номер

измер.

UР, В

UН.0, В

t0, ° С

UР, В

UН, В

ΔΤ, К

æ, Вт/(мК)

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен обязательно содержать:

  1.   название, номер и цель работы;
  2.   блок – схему установки;
  3.  основные положения теории метода и расчетные формулы;
  4.   результаты измерений и расчетов, представленные в виде таблицы;
  5.   полученное в итоге значение <æ> и расчет его абсолютной и относительной погрешности.

7.  Контрольные вопросы

  1.  Расскажите о возможных способах передачи теплоты?
  2.  В чем суть явления теплопроводности? Какая величина переносится при теплопроводности?
  3.  Какая величина называется тепловым потоком? В каких единицах СИ она измеряется?
  4.  По какой формуле определяется поток теплоты, перенесенный при теплопроводности?
  5.  Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? В каких единицах СИ он измеряется?
  6.  Напишите формулу для расчета коэффициента теплопроводности идеального газа.
  7.  Объясните понятие градиента температуры.
  8.  В чем заключается метод нагретой нити для определения коэффициента теплопроводности газов?
  9.  Выведите расчетную формулу для определения коэффициента теплопроводности методом нагретой нити.
  10.  Объясните назначение эталонного резистора в схеме экспериментальной установки.
  11.  Как определяется разность температур проволоки и наружной трубки в данной работе?
  12.  Как оценить среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр молекулы газа, используя явление теплопроводности?

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс физики. Т. 1. – М.: Наука, 1989. С. 274-285.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. С. 115-119.

10

r1, T1

r, T

r2, T2

Рис. 2.1

grad T


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70859. Этика отношений преподавателя и студента 98.5 KB
  Этические кодексы поведения запрещает преподавателю узурпировать свою власть над студентом особенно в форме эксплуатации или насилия в различных видах: сексуальном расовом религиозном интеллектуальном принуждать студентов делать то что не является предметом изучения его дисциплины.
70860. Обучение студентов и школьников навыкам изучения правовых наук 104.5 KB
  Творческие работы как элемент мотивации студентов к изучению правовых наук. Обучение студентов и школьников работе с текстом книгой Учебный текст как модель представления научных знаний это обобщенное содержание учебного процесса. Студентов следует учить как работать с текстом.
70861. Основные требования к преподавателю общественных дисциплин 89 KB
  Педагоги используют различные способы мотивирования студентов к учебе. Первый использует собственный авторитет свою личность для того чтобы привлечь студентов а затем пытается перенести интерес студентов от себя к предмету.
70862. Дискуссия как эффективный метод проведения семинарского занятия по правоведческим наукам 120 KB
  Дискуссии и диалоги их преимущества и недостатки. Роль преподавателя в проведении дискуссии. Приемы и методы проведения дискуссии. Дискуссии и диалоги их преимущества и недостатки.
70863. Демократический идеал и методика преподавания общественно- правовых дисциплин 57 KB
  По содержанию гуманитарное образование можно определить как учебно-воспитательный процесс преподавания и усвоения широкого круга гуманитарных дисциплин исторических философских политологических социологических экономических культурологических филологических...
70864. Использование семинаров и школьных уроков в преподавании правовых дисциплин 116.5 KB
  Помогает расширить закрепить и обогатить знания студентов по отдельным темам курса активизировать работу студентов привить им вкус к публичным выступлениям. Иные авторы подчеркивают что неформальная структура семинара дает возможность большему числу...
70865. Методика организации коллективно-творческого дела 18.83 KB
  Хотелось бы сразу отметить что методика КТД мало эффективна в условиях одновозрастных отрядов и скоротечности смен обычного ДОЛ в условиях которых коллектив как правило не успевает вызреть до реального использования данной методики поэтому в ДОЛ используются как правило хоть широко...