№	Показание	Показание	Показание	Толщина	Толщина
опы-	термометра	термометра	термометра	слоя	Слоя	k1
та	t1, °С	t2, °С	t3, °С	l1, м	l2,м
1
2
3

Техника безопасности

При выполнении работы необходимо соблюдать требования инструкции №1 по технике безопасности и следить за тем, чтобы в кипятильнике была вода. Шланги с паром и холодной водой необходимо вывести в раковину.

Контрольные вопросы

1.Какой физический смысл имеет коэффициент теплопроводности?

2.Как соотносятся между собой коэффициенты теплопроводности металлов, жидкостей и газов?

3.Какой тепловой процесс называется стационарным?

4.Как меняется коэффициент теплопроводности газа с повышением температуры?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. школа, 1998, с.95-97.

2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высш. школа, 2000, с.137-143.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ КОНВЕКЦИИ

Приборы и принадлежности: Латунная трубка, предназначенная для нагревания, термосопротивления и градуировочный график к ним, выпрямитель.

Цель работы: определение экспериментальным путем коэффициента теплопередачи при конвекции.

Краткая теория

Существуют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Конвекция – это такой способ теплопередачи, который осуществляется движением различно нагретых масс жидкости или газа. Причем конвективная теплопередача осуществляется только в том случае, если жидкость или газ нагреваются снизу или охлаждаются сверху.

Теплопередача путем теплопроводности может происходить между двумя различно нагретыми телами, находящимися в непосредственном тепловом контакте друг с другом, или между различно нагретыми частями одного и того же тела независимо от его агрегатного состояния.

В случае теплопередачи теплопроводностью и конвекцией тела или их отдельные слои должны находиться в непосредственном контакте. Опыт, однако, показывает, что теплопередача возможна и в том случае, когда холодные и горячие тела разделены в пространстве. Например, от Солнца на Землю поступает огромное количество тепла, хотя оба эти небесных тела разделены громадным расстоянием. В этом случае передача тепла осуществляется тепловым излучением. Тепловое излучение имеет место при любой температуре, только происходит с различной интенсивностью. Различные тела даже при одной и той же температуре излучают разное количество энергии. Опыт показывает, что если тело хорошо поглощает тепловое излучение, то оно же хорошо и излучает (при той же температуре). Из всех тел лучше всего поглощают энергию черные или зачерненные тела (например, сажа или платиновая чернь). Черные тела лучше других и излучают энергию.

Количество тепла, передаваемое путем конвекции в единицу времени с единицы поверхности нагретого тела (плотность теплового потока, Вт/м2), можно выразить в виде:

Qk =αk (T1 −T2 ),

где Т1 − температура нагретого тела;		Т2 − температура окру-
жающей среды;	αk − коэффициент теплоотдачи при конвекции.

Количество тепла, излучаемое нагретым до температуры Т1 телом в единицу времени с единицы поверхности, определяется по закону Стефана-Больцмана:

22

QL = AσT14 ,

где σ –постоянная Стефана-Больцмана (постоянная излучения):

σ =5,67 10−8 Вт/(м2·К4),

Коэффициент А, характеризующий поглощательную способность тела, для абсолютно черных тел максимален и равен единице (А=1). Для всех других тел (серых) А< 1.

При теплообмене каждое тело не только излучает, но и поглощает излучение окружающих тел. При условии, что поверхность S1 тела с температурой Т1 значительно меньше поверхности S2 окружающих тел с температурой Т2 (при T1>T2, S1<< S2), можно написать

QL = Aσ(T1 4 − T2 4 ),

где А – коэффициент, характеризующий поглощательную способность тела с температурой Т1. С другой стороны, QL можно выразить в виде

QL =αL (T1 −T2 ) ,

где αL − коэффициент теплоотдачи излучением:

	αL =	Aσ(T 4		−T 4 )	.
			1	2		(15.1)
		T1	−T2

Если учесть возможность теплообмена как конвекцией, так и излучением, то полное количество тепла, теряемое телом

Q =QL + Qk = (αL +αk ) (T1 −T2 ) =α(T1 −T2 ),

(15.2)

где α – суммарный коэффициент теплоотдачи,
α =αL +αk .	(15.3)

Выражение (15.2) справедливо для установившегося стационарного процесса, т. е. когда температуры Т1 и Т2 поддерживаются постоянными.

Описание лабораторной установки

Установка (см. рис. 15.1) состоит из горизонтально расположенной медной трубки (l=102см), внутри которой по оси натянута нихромовая проволока, закрепленная в пробках.

Рис. 15.1

Проволока служит нагревателем - по ней пропускается электрический ток. Медная трубка нагревается и отдает тепло окружающему воздуху.

Для измерения температуры наружной поверхности трубки на ней на разных расстояниях друг от друга укреплены пять термосопротивлений. Реостатом выпрямителя устанавливают определенный ток в цепи. По показаниям микроамперметров следят за изменением температуры на поверхности трубки. По прошествии некоторого времени (20−30 мин.) показания микроамперметров перестанут меняться. Это означает, что количество теплоты, отдаваемое трубкой в воздух, равно количеству тепла, получаемого от нагревателя, т.е. процесс является установившимся. По закону Джо- уля-Ленца количество тепла, получаемое трубкой от нагревателя,

Q=IUt,

где I − ток, проходящий по проволоке; U − разность потенциалов на концах проволоки; t − время прохождения тока.

Тогда коэффициент α суммарной теплоотдачи (пренебрегая потоком тепла через торцы трубки) вычисляется по формуле

α =	IUt				=		IU			.	(15.4)
	πdlt(T	−T	2	)			πdl(T −T	2	)
	1					1

Здесь l и d − длина и диаметр трубки соответственно.

Порядок выполнения работы

!!! ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ !!! Запрещается устанавливать силу тока более 1,5 А, т.к. трубка перегреется и установка выйдет из строя. Не касаться открытых контактов на трубке и на выпрямителе.

1.Включите в сеть выпрямитель и панель с микроамперметрами.

2.Реостатом выпрямителя установите ток 1,5 А (не более!). Запишите показания вольтметра. Снимать показания микроамперметров можно только через 20-30 минут.

3.Запишите показания комнатного термометра Т2.

4.Запишите длину трубки l=102 см. Штангенциркулем измерьте диаметр трубки. Все данные измерений занесите в первую

24