Обработка результатов измерений. 1. Построить график зависимости температуры (ti) (например t2) от времени нагревания (t, мин)

1. Построить график зависимости температуры (t_i) (например t₂) от времени нагревания (t, мин). Убедиться, что достигнут стационарный режим.

2. Рассчитать Dt_i = t_i - t₀, где i номер опыта для указанного времени нагревания (5,10,15,30 мин).

3. Только для стационарного режима вычислить значения и lnA, результаты вычислений занести в таблицу.

4. Построить график зависимости от x_i, приняв за начало отсчета положение первой термопары х₁ = 0 (координаты термопар указаны на установке). По нанесенным точкам провести прямую.

5. Определить усредненный тангенс угла наклона или

6. По формуле (10), учитывая (11), вычислить коэффициент теплопроводности металла и определить погрешность измерения.

7. С помощью справочника определить металл, из которого изготовлен стержень.

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется теплопроводностью? Запишите его уравнение. Что характеризует градиент температуры?

2. Что является переносчиком тепловой энергии в металлах?

3. Какой режим называется стационарным? Получите уравнение (5), описывающее этот режим.

4. Выведите формулу (10) для коэффициента теплопроводности.

5. Что такое термопара? Как с её помощью можно измерить температуру в определенной точке стержня?

6. Каков метод измерения теплопроводности в данной работе?

Лабораторная работа № 11

Изготовление и градуировка датчика температуры на основе термопары

Цель работы:ознакомление с методикой изготовления термопары; изготовление и градуировка датчика температуры на основе термопары; использования датчика температуры для определения температуры плавления сплава Вуда.

Введение

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц тела. Диапазон температур, при которых протекают физические, химические и другие процессы, исключительно широк: от абсолютного нуля до 10¹¹К и выше.

Температуру невозможно измерить непосредственно; ее значение определяют по температурному изменению, какого–либо удобного для измерений физического свойства вещества. Такими термометрическими свойства могут быть: давление газа, электрическое сопротивление, тепловое расширение жидкости, скорость распространения звука.

При построении температурной шкалы приписывают значение температуры t₁ и t₂ двум фиксированным температурным точкам (значение измеряемого физического параметра) x = x₁ и x = x₂, например, точке плавления льда и точке кипения воды. Разность температур t₂ – t₁ называют основным температурным интервалом шкалы. Температурная шкала представляет собой конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Возможно неограниченное число температурных шкал, различающихся по термометрическому свойству, принятой зависимости t(x) и температурам фиксированных точек. Например, существуют шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта и др. Принципиальным недостатком эмпирических температурных шкал является их зависимость от термометрического вещества. Этот недостаток отсутствует у термодинамической температурной шкалы, основанной на втором начале термодинамики. Для равновесных процессов справедливо равенство:

,

где: Q₁ – количество теплоты, полученное системой от нагревателя при температуре Т₁; а Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику при температуре Т₂. Отношения не зависят от свойства рабочего тела и позволяют по доступным для измерений величинам Q₁ и Q₂ определить термодинамическую температуру. Принято считать Т₁ = 0 К – при абсолютном нуле температур и Т₂ = 273,16 К в тройной точке воды. Температура по термодинамической шкале выражается в градусах Кельвина (⁰К). Введение Т₁ = 0 является экстраполяцией и не требует реализации абсолютного нуля.

При измерении термодинамической температуры применяют обычно одно из строгих следствий второго начала термодинамики, связывающее удобно измеряемое термодинамическое свойство с термодинамической температурой. В числе таких соотношений: законы идеального газа, законы излучения черного тела и т.д. В широком интервале температур, примерно от точки кипения гелия до точки затвердевания золота, наиболее точные измерения термодинамической температуры обеспечивает газовый термометр.

На практике измерение температуры по термодинамической шкале затруднительно. Значение этой температуры обычно наносят на удобный вторичный термометр, более стабильный и чувствительный, чем приборы, воспроизводящие термодинамическую шкалу. Вторичные термометры градуируют по высокостабильным реперным точкам, температуры которых по термодинамической шкале заранее найдены предельно точными измерениями.

В данной работе в качестве вторичного термометра используется термопара (контакт двух различных металлов), а в качестве реперных точек – температуры плавления и кипения различных веществ. Термометрическим свойством термопары является контактная разность потенциалов.

Термопарой называется замкнутая электрическая цепь, содержащая два спая двух различных металлических проводников. Если температура спаев различна, то в цепи будет идти обусловленный термоэлектродвижущей силой электрический ток. Величина термоэлектродвижущей силы e пропорциональна разности температур:

, (1)

где k- const, если разность температур не очень велика.

Величина k обычно не превышает нескольких десятков микровольт на градус и зависит от материалов, из которых изготовлена термопара.

Упражнение 1. Изготовление термопары