Определение теплопроводности газов методом нагретой нити
Лабораторная
работа
Определение
теплопроводности газов методом нагретой нити
1. Краткое теоретическое обоснование
Цель работы: определить коэффициент
теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по
теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.
Теплопроводность - процесс передачи тепла от
более нагретого тела к менее нагретому телу или от более нагретой части одного
тела к другой части при их непосредственном контакте.
Поток тепла - количество теплоты, проходящее в
единицу времени через произвольную изотермическую поверхность.
В основе выравнивание температур газов лежит
понятие конвекция, т.е. при обычных условиях легкий теплый газ поднимается
вверх, а на его место опускаются более холодные массы газа. В данном
эксперименте конвекция не возникает, т.к. воздух нагревается по всей высоте
движения воздуха. И поэтому выравнивание температуры происходит за счет
теплопроводности воздуха, 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 эксперименте для исследования этого явления
нить цилиндра нагревают электрическим током. После того как устанавливается
стационарный режим, тепловой поток Q
становится равен (Дж) теплу, выделяемому в нити, которое легко рассчитать, зная
сопротивление нити и силу протекающего по ней тока.
Для цилиндрически симметричной установки, в
которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его
оси, справедлива формула:
c
- коэффициент теплопроводности газа
Q - поток
тепла [Вт]
L - длина
цилиндра [м]= 0,5 м
Tr -
температура газа у поверхности проволоки [К]
TR -
температура нагревателя [К]
rц - радиус
цилиндра [м] = 4*10-3м
r - радиус
проволоки [м]= 0.05*10-3м
. Основные расчетные формулы
Температура поверхности проволоки
- коэффициент температурного
сопротивления
R0 -
сопротивление проволоки при Tокр [Ом]
Поток тепла, переносимый воздухом с
проволоки
R -
сопротивление нити [Ом]
I - сила тока
[А]
Среднеарифметическая температура
Погрешность косвенных измерений:
или
. Экспериментальная установка
Проволока 5 натянута между упорами
3-4 внутри трубки 2. Температура стенок трубки поддерживается термостатом 8.
схема измерительного моста Уитстона (6), состоящего из магазина сопротивлений
в), гальванометра г), нагрузочного б) и эталонного сопротивлений а). Вся схема
подключена к источнику питания Е, параметры которого задаются с пульта 7.
Таблицу №1 Зависимость сопротивления
нити R от силы
тока в цепи I при Токр
Физ.
величина
|
TR
|
U
|
R
|
Ед.
измерений Номер опыта
|
К
|
В
|
А
|
Ом
|
1
|
293
|
1
|
0,15
|
38,8
|
2
|
293
|
2
|
0,29
|
40,6
|
3
|
293
|
3
|
0,42
|
4
|
293
|
4
|
0,54
|
47,2
|
5
|
293
|
5
|
0,64
|
51,5
|
Из графика следует, R0
= 37,8 [Ом]
Таблица№2 Зависимость сопротивления нити R
от силы тока в цепи I при разных
ТR
. Вычисления
Из таблицы №2, опыт №3:
Средняя квадратичная погрешность
прямых измерений:
Вывод
теплопроводность воздух
нить
В проведенной лабораторной работе
был определен коэффициент теплопроводности воздуха и оценена зависимость
теплопроводности воздуха от температуры нагрева и напряжения тока, заданного в
цепи. Относительная погрешность составила 19%. Это связано с тем, что при
постепенном увеличении ТR и напряжение в цепи, происходит
увеличение коэффициента теплопроводности воздуха.