Определение теплопроводности газов методом нагретой нити

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

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)

 

Лабораторная работа №17

 

По дисциплине                                      Физика

(наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

 

Тема:         Определение теплопроводности газов методом нагретой нити

 

 

Автор: студент гр. РГГ-14                   Зуева Валерия Евгеньевна

                                    (подпись)                            (Ф. И. О.)

 

ОЦЕНКА:

 

Дата:

 

 

ПРОВЕРИЛ:   ассистент                 Кожокарь Михаил Юрьевич

(должность)            (подпись)                           (Ф. И. О.)

 

 

Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.

Вводная часть

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.

.Экспериментальная установка.

Схема установки представлена на рисунке ниже:

 

Пояснения.

1. проволока (нить)
2. трубка
3. упор
4. упор
5. внутренняя стенка трубки
6. схема измерительного моста Уитстона
1. эталонное сопротивление
2. нагрузочное сопротивление
3. магазин сопротивлений
4. гальванометр
7. пульт, задающий параметры источника питания
8. термостат
9. Пульт управления термостата

 

 

Принцип работы установки.

Проволока  натянута между упорами  внутри трубки. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой, внутренняя стенка трубки является цилиндром. Температура стенок трубки поддерживается термостатом, который управляется с пульта управления термостата.

Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить включена в схему измерительного моста Уитстона, состоящего из магазина сопротивлений, гальванометра, нагрузочного и эталонного сопротивлений. 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.

 

Основные расчётные формулы

Формула для расчёта потока тепла, переносимого воздухом с проволоки [1]:

 

где R- сопротивление проволоки, I- протекающий по проволоке ток, Q- поток тепла, переносимый воздухом с проволоки

Формула для расчёта температуры поверхности проволоки [2]:

 

где Tr - температура газа у поверхности нити, R0 – сопротивление проволоки при комнатной температуре.

Используя результаты вычислений по формулам [1] и [2] рассчитываем по формуле [3] среднеинтегральные коэффициенты теплопроводности c(Tср), 

где   - среднеарифметическая температура.

Для цилиндрически симметричной установки, в которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его оси, справедлива формула [3]:

 

Уравнение [3] может служить для определения коэффициента теплопроводности c. 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физ. величина	Tц	U	I	R	Q	Tr	Tср	c
Ед. измерений Номер опыта	оС	В	А	Ом	Вт	К	К
1.	20	1	0,15	38,80	0,79	298,69	295,85	0,002
2.	20	3	0,42	43,50	6,98	325,23	309,12	0,016
3.	20	5	0,64	51,50	19,18	370,40	331,70	0,042
4.	20	8	0,87	66,70	45,90	456,23	374,62	0,090
5.	20	13	1,03	82,90	79,95	547,71	420,35	0,139
6.	40	1	0,14	42,00	0,75	316,76	314,88	0,002
7.	40	3	0,41	46,40	7,09	341,61	327,30	0,017
8.	40	5	0,62	54,00	18,87	384,52	348,76	0,043
9.	40	8	0,85	68,70	45,12	467,53	390,26	0,089
10.	40	13	1,01	84,60	78,45	557,30	435,15	0,138
11.	60	1	0,14	45,20	0,81	334,83	333,92	0,002
12.	60	3	0,39	49,30	6,82	357,98	345,49	0,017
13.	60	5	0,60	56,60	18,52	399,20	366,10	0,042
14.	60	8	0,83	70,70	44,28	478,82	405,91	0,089
15.	60	13	1,00	86,20	78,36	566,34	449,67	0,140
16.	80	1	0,13	48,40	0,74	352,90	352,95	0,002
17.	80	3	0,38	52,30	6,87	374,92	363,96	0,016
18.	80	5	0,58	59,20	18,10	413,88	383,44	0,041
19.	80	8	0,82	72,80	44,50	490,68	421,84	0,091
20.	80	13	0,98	88,00	76,83	576,50	464,75	0,139

Таблица измерений

Вычисление погрешностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графики

Исходные данные

- радиус проволоки r                    0,05 мм;

- внутренний радиус цилиндра rц                  4 мм;

- длина проволоки L                    0,5 м;

- длина цилиндра L                                                          0,5 м;

- материал проволоки                    вольфрам;

- коэффициент температурного сопротивления α       4.6×10-3 град-1

- величина R0                     38,5 Ом;

- величина  rн                     35 Ом;

- величина  Tокр                                                                 297 К

 

Вывод

В данной лабораторной работе был рассмотрен способ определения коэффициента теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.

Таким образом, 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. 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. Значит, мы можем легко вычислить коэффициент теплопроводности практически любого газа.

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2014 год