Утечки тепла через концы проволоки

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru Концы проволоки поддерживаются при температуре, близкой к комнатной. Вследствие теплопроводности металла в ней устанавливается распределение температур, сходное с показанным на рис. 1. Поскольку температурная кривая практически симметрична, то исключит влияние концов можно следующим образом. Разделим нить на два участка различной длины, приварив к ней дополнительный потенциальный вывод. Пусть длины участков равны Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , а соответствующие падения напряжения на них Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . Для среднего участка проволоки длиной Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru с напряжением на нем Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru формула (9) примет вид:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . (10)

На этом участке температура нити практически везде одинакова.

В данном случае удается существенно уменьшить систематическую ошибку ценой незначительного усложнения прибора.

Конвективный перенос тепла

Теплопроводность определяется тепловым движением молекул газа. При конвективном механизме тепло переносится движение макроскопических объемов газа. Оно может быть обусловлено разностью плотностей нагретого и холодного газа (естественная конвекция). Конвекция может сильно исказить результаты измерения коэффициента теплопроводности. Роль конвекции в переносе тепла тем существеннее, чем больше разность температур Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . Для уменьшения искажающего влияния конвекции на результаты измерений можно воспользоваться тем, что, начиная с некоторой разности температур, это влияние резко возрастает. В нашем приборе температура внешней стенки Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru практически одинакова в разных режимах. Поэтому можно построить зависимость измеренного значения Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru от температуры нити или средней температуры газа. До температур, где это значение резко растет с Т, можно считать, что изучалась зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. При более высоких температурах влияние конвекции становится подавляющим, а измерение коэффициента теплопроводности в данном приборе – практически невозможным.

Перенос тепла излучением

Тепловое излучение поверхности нагретой нити является также дополнительным механизмом переноса тепла, который может быть учтен введением соответствующей поправки. Плотность теплового потока, возникающего вследствие излучения, определяется формулой Стефана-Больцмана:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , (11)

в которой Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru - степень черноты поверхности никелевой проволоки, равная 0,44; Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru - постоянная Стефана-Больцмана; Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru - абсолютные температуры поверхностей нити и трубки соответственно, S – площадь поверхности рабочего участка нити, определяемая по формуле:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

С учетом поправки (11) формула (10) преобразуется к виду:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . (12)

Как следует из формулы (11), величина поправки на излучение быстро растет с увеличением температуры нити. Относительный вклад поправки на излучение можно определить, сравнивая мощность излучения с полной электрической мощностью, выделяемой на рабочем участке нити:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . (13)

Описание установки

Рабочий участок установки показан на рис. 2.

Никелевая проволока диаметром Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru расположена по оси вертикальной стеклянной трубки внутренним диаметром Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , заполненной воздухом. Внешняя стеклянная трубка диаметром D образует кожух для воды. Тепловой поток, идущий через воздух от нагретой проволоки, нагревает прилегающие к внутренней трубке слои воды. Вследствие теплового расширения плотность этих слоев воды уменьшается. Разность плотностей вызывает движение – циркуляцию жидкости и непрерывное обновление слоев, прилегающих к трубке. Из-за большой теплоемкости и значительного объема воды изменение ее температуры в течение опыта незначительно, поэтому можно считать, что температура внутренней стеклянной трубки ( Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ) равна температуре воды, т.е. комнатной температуре, которая определяется по термометру в лаборатории. Проволока ориентирована по оси трубки с помощью втулок. Рабочий участок схемы имеет два токоподвода и три потенциальных вывода, которые позволяют произвести измерение падений напряжения Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru на двух участках проволоки.

Подключение вольтметра Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru осуществляется с помощью тумблера Тум. Ток в цепи проволоки рассчитывается по закону Ома:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , (14)

где Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru измеряется вольтметром Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru указано на плате установки.

Сопротивление R служит для ограничения тока в цепи питания проволоки. Сопротивления участков проволоки Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru также рассчитываются по закону Ома для участка цепи:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ; Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , (15)

где Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru измеряются вольтметром Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , I – ток в цепи проволоки, рассчитанный по формуле (14).

Температура проволоки определяется по ее сопротивлению. При этом рассматривается центральный участок проволоки с сопротивлением:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , (16)

которое зависит от температуры, по формуле:

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru

и, следовательно,

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . (17)

Здесь Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru - температурный коэффициент сопротивления никеля, Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru - сопротивление исследуемого участка нити при комнатной температуре Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru определяется экстраполяцией, т.е. продолжением графика Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru в точку Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru Значения Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru указаны на плате установки.

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему установки.

2. Включите в сеть и подготовить к работе вольтметры Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

3. Включить в сеть выпрямитель ВС-24М, предварительно установив ручку регулировки напряжения в положение, соответствующее, минимальному напряжению.

4. Измерить и записать температуру воздуха в лаборатории Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

5. Переводя регулятор напряжения на лицевой панели выпрямителя вправо, записать показание вольтметра Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и, переключая тумблер, с помощью вольтметра Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , определять напряжения Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru . При этом вследствие тепловой инерции измерительной ячейки переход от одного установившегося теплового состояния к другому происходит через определенный интервал времени, увеличивающийся с ростом тока в цепи. О достижении стационарности процесса можно судить по показаниям вольтметров: записывать их показания следует только после того, как они перестают изменяться. В процессе эксперимента заполняйте таблицу 1.

Таблица 1

  Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru Положение тумблера   Примечание: Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru Цена деления ( Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ) Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru  
Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru
деления В Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , В Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , В
       
       
       
       
       
       
       
           

Обработка результатов

1. В процессе обработки результатов заполняется таблица 2.

2. Для каждого измерения вычислить силу тока по формуле (13), сопротивление участка нити по формуле (15). Построить график зависимости Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru и экстраполяцией в область Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru определить Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

3. По формуле (16) вычислить перепад температур Утечки тепла через концы проволоки - student2.ruУтечки тепла через концы проволоки - student2.ru и коэффициент теплопроводности Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru для каждого измерения по формуле (11).

4. Вычислить величины поправок на излучении для трех значений Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru в начале, середине и конце диапазона. Сделать выводы о роли и величине поправок.

5. Построить зависимость Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , принимая за температуру газа, к которой относится экспериментальный результат, среднюю температуру Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

Таблица 2

I, А Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , В Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , Ом Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , Ом Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , К Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , К Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru , К   Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ,   Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru
               

Контрольные вопросы

1. Перечислите способы теплообмена.

2. Сформулируйте закон Фурье.

3. В чем физический смысл знака «минус» в законе Фурье?

4. Определение плотности теплового потока и градиента температуры (направление, модуль, наименование).

5. Определение изотермической поверхности (вид изотермической поверхности в нашей работе).

6. В чем измеряется коэффициент теплопроводности Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ?

7. Вывод расчетной формулы для Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru .

8. Каким образом в работе находится Утечки тепла через концы проволоки - student2.ru ?

9. Физический смысл формулы (4).

10. Как измеряется температура нити?

Литература

1. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский, Л.Б.Милковская. Курс физики, М., «Высшая школа», 1973, т.1.

2. Г.А.Зисман, О.М.Тодес. Курс общей физики, М., «Наука», 1972, т.1.

3. И.В.Савельев Курс общей физики, т. 1, М., «Астрель», 2005.

Лабораторная работа 2.02

Наши рекомендации