Лабораторная установка и метод измерений

Экспериментальная установка схематически изображена на рисунке 2 .

Исследуемый образец 2, толщиной хпомещается между поверхностью электроплитки (1) и внутренним сосудом калориметра с водой 3 в теплоизолирующем кожухе. Температура поверхности электроплитки Т_n, измеряемая термометром 5, поддерживается постоянной с помощью терморегулятора. Температура внутреннего сосуда калориметра с водой Т регистрируется терморезистором 4.

Пренебрегая теплоотдачей, энергию, полученную калориметром с водой вследствие теплопроводности образца, можно определить по формуле

, (2)

где с₁, с₂,m₁, m₂– соответственно удельные теплоемкости и массы калориметра и воды, Дж/(кг К), кг;

с₃m₃– теплоемкость терморезистора 4, Дж/К.

Рисунок 2

Сравнивая уравнения (1) и (2), получаем

откуда

(3)

Если температура калориметра с водой за время изменялась от Т₀ до Т, то значение теплопроводности получаем интегрированием уравнения (3)

или

отсюда

(4)

где К – теплопроводность образца, Вт/(мК);

Т – температура калориметра с водой через секунд после начала опыта К.

Описание принципа действия терморегулятора и терморезистора даются в приложениях 1 и 2.

Порядок выполнения работы:

1) снимают с электроплитки исследуемый образец и внутренний сосуд калориметра;

2) включают в сеть электроплитку (тумблер SA1) и терморегулятор (тумблерSA3). ТумблерSA2 ставят в положение 1;

3) массу внутреннего сосуда калориметра m₁определяют взвешиванием на технических весах;

4) наливают воду во внутренний калориметр до метки и определяют ее массу m₂;

5) толщину и площадь образца измеряют с помощью штангенциркуля;

6) помещают образец на электроплитку;

7) когда на поверхности электроплитки установится постоянная температура Т_n(при этом показание термометра 5 должно оставаться неизменным), записывают ее в таблицу;

8) устанавливают калориметр с водой на исследуемый образец и опускают в воду терморезистор 4;

9) замечают время и определяют с помощью терморезистора 4 начальную температуру Т₀воды и калориметра. Для этого, переключив тумблерSA2 в положение 2 записывают показания микроамперметра и по графикуопределяют температуру Т₀;

10) затем, через 10, 20, 30, 40 минут, измеряют температуру Т воды и калориметра с помощью терморезистора (см. п.9);

11) теплопроводность образца К для 4-х интервалов вычисляют по формуле

где С₁=0,896 кДж/кг^.К и С₂=4,19 кДж/кг^.К – удельные теплоемкости соответственно калориметра и воды; С₃m₃=8,7 Дж/К – теплоемкость терморезистора 4;

12) точность измерений оценивают по отклонению среднего значения К от результатов отдельных измерений с учетом коэффициентов Стьюдента;

13) результаты измерений и вычислений записывают в таблицу;

Таблица 1

№

х, мм

m1, кг

m2, кг

Тn K

I0 мкА

T0, K

r c

I, мкА

Т К

К Вт/ (мк)

Вт^2/(мк)^2

Вт/(мк)

Вт/ (мк)

ср

Вывод

14) составляют отчет по установленной схеме;

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Терморегулятор в данной работе поддерживает постоянную температуру на поверхности электроплитки. В его конструкции используется стеклянный ртутный электроконтактный термометр типа ТПК, принцип работы которого основан на изменении объема термометрической жидкости в зависимости от температуры измеряемой жидкости в зависимости от температуры измеряемой среды, и на способности ртути служить проводником электрического тока при замыкании контактов (вольфрамовая нить – ртуть).

Настройка термометра на требуемую температуру контактирования производится с помощью магнитного приспособления, вращая которое можно поднимать или опускать конец вольфрамовой нити в капилляре термометра, устанавливая его на отметке заданной температуры контактирования.

В схеме терморегулятора, изображенной на рисунок 3, можно выделить две электрические цепи, IиII.

Рисунок 3

Первая цепь, состоящая из реле Р, выпрямителя на диодах UZ, понижающего трансформатораTV, контактов термометра (терморегулятора). Вторая цепь состоит из электроплитки ЕК, источника переменного тока на 220 В и двух тиристоровVS1 иVS2.

Резервуар электроконтактного термометра соприкасается с поверхностью ЕК. Если температура ЕК ниже температуры, установленной на контактах SKтермометра, они разомкнуты. При этом выключательSFзамкнут, тиристорыVS1 иVS2 открыты, цепь ЕК замкнута, электроплитка и термометр нагреваются.

Когда ртуть в капилляре термометра коснется конца вольфрамовой нити, установленного на заданной температуре, сбрасывает реле Р, контакты SFразмыкаются, тиристорыVS1 иVS2 запираются, цепь электроплитки размыкается, ее температура понижается.

Таким образом, на поверхности электроплитки поддерживается постоянная температура, установленная на электроконтактном термометре.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Термометр на терморезисторе ТНГ – М состоит из датчика RK, измерительного моста и микрометра.

Измерительный мост собран по схеме, изображенной на рисунок 4.

R1,R2,R3 – сопротивления;

RK– терморезистор КМГ-14, рабочее тело которого состоит из смеси окислов марганца и кобальта.

Рисунок 4

В одну диагональ моста подключается микроамперметр, во вторую – источник постоянного тока.

Датчик RKпомещается в объект, температуру которого необходимо измерить.

Измерение сопротивления RKвызовет изменение тока в диагонали моста, регистрируемые микроамперметром.