17 Определение теплопроводности газов методом нагретой нити

vk.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