17 Определение теплопроводности газов методом нагретой нити
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”
Кафедра Общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
Определение теплопроводности газов методом нагретой нити
Методические указания к лабораторной работе № 17 для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2016
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
УДК 531/534 (075.83)
Определение теплопроводности газов методом нагретой нити: Методические указания к лабораторной работе. Фицак В.В. / Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”. С-Пб, 2015, 19 с.
Методические указания к лабораторной работе курсу «Физика», «Определение теплоемкости твердых тел», предназначены для студентов бакалавриата направления подготовки 120700 «Землеустройство и кадастры».
С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.
Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.
Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 5 назв.
Научный редактор доц. Н.Н. Смирнова
© Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”, 2016 г.
2
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.
Краткое теоретическое содержание
В работе используются: вертикальная трубка с двойными стенками с натянутой внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное сопротивление 10 Ом и нагрузочное сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.
Если внутри сосуда с газом существует градиент температур, в газе возникают процессы, приводящие к выравниванию температуры. В обычных условиях среди этих процессов наибольшую роль играет конвекция. Конвекция появляется из-за того, что легкий теплый газ поднимается вверх, а на его место опускаются более холодные массы газа. Конвекция не возникает, если температура газа повышается с высотой, если объем газа невелик или если он разбит на небольшие каналы или ячейки. В последних случаях возникновению конвекционных потоков мешает вязкость. При отсутствии конвекции процесс переноса тепла замедляется, но не прекращается. Он происходит благодаря теплопроводности газа, связанной с тепловым движением молекул. Выравнивание температуры получается при этом из-за непрерывного перемешивания "горячих" и "холодных" молекул, происходящего в процессе их теплового движения и не сопровождающегося макроскопическими перемещениями газа. В данной работе исследуется этот случай.
Для цилиндрически симметричной установки, в которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его оси, справедлива формула:
Tr TR 2 Q
L
Уравнение [1]
ln |
rц |
|
Q |
ln |
rц |
[1] |
||
r |
2 L (Tr TR ) |
r |
||||||
|
|
|
|
|
||||
может |
служить для |
определения |
коэффициента теплопроводности . При этом нужно знать радиусы нити r, цилиндра rц, длину цилиндра L, поток тепла Q и разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра Tr – Tц.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Нить цилиндра нагревается электрическим током. После того как устанавливается стационарный режим, тепловой поток Q становится равен Джоулевому теплу, выделяемому в нити, которое тепло легко рассчитать, зная сопротивление нити и силу протекающего по ней тока. Наибольшую трудность вызывает измерение температуры нагретой нити, по доступной непосредственному измерению.
Экспериментальная установка.
Схема установки представлена на рисунке ниже:
6 |
г) |
|
7
в) |
8 |
а) |
8 |
б)
Проволока 5 натянута между упорами 3-4 внутри трубки 2. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой. Температура стенок трубки поддерживается термостатом 8, который управляется с пульта 8 – управления термостата. Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить 5 включена в схему измерительного моста Уитстона (6), состоящего из магазина сопротивлений в), гальванометра г), нагрузочного б) и
4
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
эталонного сопротивлений а). Параметры моста подобраны таким образом, что при балансе моста сопротивление магазина сопротивлений в 10 раз больше сопротивления нити. Вся схема подключена к источнику питания Е, параметры которого задаются с
пульта 7. |
|
|
|
Технические характеристики установки: |
|
||
- диаметр проволоки (1) |
|
0,1 мм; |
|
- внутренний диаметр цилиндра (5) |
8 мм; |
||
- длина проволоки (1) |
|
0,5 м; |
|
- материал проволоки |
|
вольфрам; |
|
- |
коэффициент |
температурного |
сопротивления |
|
4,6 10 3 град 1 |
|
|
- величина Rэт |
|
3,5 Ом; |
|
- величина rн |
|
35 Ом. |
5
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ЗАДАНИЕ
1.Запустите работу.
2.Снимите при комнатной температуре зависимость сопротивления нити R от протекающего через установку тока I.
Провести измерения для 4 5 минимальных значений напряжения.
Результаты измерений занести в таблицу №1:
Физ. величина |
|
TR |
U |
I |
R |
Ед. измерений |
К |
В |
А |
Ом |
|
Номер опыта |
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
Постройте график |
зависимости |
R f I 2 . Продлите |
график до |
пересечения с осью ординат, для определения значения сопротивления нити при I = 0. Запишите определенное значение Ro - сопротивление проволоки при комнатной температуре.
3. Нажать кнопки «Нагрев» и «Цирк». Для различных
температур стенок трубки TR (20 , 40 , 60 , 80 ) проведите измерения зависимости сопротивления нити R от протекающего через установку тока I при различных значениях напряжения, от 1 В
до 15 В, увеличивая напряжение с шагом 2 3 вольта. Записывайте в таблицу значения установленного напряжения U, протекающего тока I, сопротивления проволоки R.
4. Для каждого набора значений предыдущего упражнения рассчитать поток тепла, переносимый воздухом с проволоки:
10 |
|
2 |
|
Q R |
11 |
I |
[2] |
|
|
|
и температуру поверхности проволоки:
Tr Tокр |
R R0 |
[3] |
||
R0 |
|
|||
|
|
6
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Используя результаты вычислений по формулам [2] и [3] рассчитать по формуле [1] среднеинтегральные коэффициенты
теплопроводности (Tср), |
|
|
||
|
где T Tr TR |
- среднеарифметическая температура. |
||
|
СР |
2 |
|
|
|
|
|
f TСР . Сравните |
|
5. |
Постройте график |
зависимости |
||
полученные значения со справочным. |
|
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №2:
Физ. величина |
TR |
U |
I |
R |
Q |
Tr |
Tср |
|
|
|
Ед. измерений |
оС |
В |
А |
О |
В |
К |
К |
Вт |
м К |
|
Номер опыта |
||||||||||
|
|
|
м |
т |
|
|
|
|||
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
40 |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
60 |
… |
|
|
|
|
|
|
|
480 …
6)рассчитать погрешность косвенных измерений;
7)привести окончательный результат.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК УЧЕБНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
2.Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
4.Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
5.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.
7