Лаборатория виртуальных экспериментов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17

ФИЗИКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2019 г.

 

ВВЕДЕНИЕ

Общая цель выполнения любой работы из лабораторного практикума обеспечить приобретение знаний и умений по физике в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС).

Круг технических вопросов, связанных с явлениями переноса, к которым относится и теплопроводность, достаточно большой. Законы молекулярной физики и кинетической теории явлений переноса служат теоретической основой технологических процессов добычи, транспорта, переработки и использования полезных ископаемых. Поэтому актуально изучение и более глубокое понимание этих явлений для студентов нефтегазовых, металлургических, обогатительных, строительных и многих других специальностей.

Лабораторный практикум является одной из форм образовательных технологий и направлен на формирование общих и профессиональных компетенций. В результате выполнения лабораторной работы студенты приобретают навыки использования современной научной аппаратуры для проведения физического эксперимента и научных исследований; осваивают методы физического исследования, которые включают планирование, постановку и обработку результатов эксперимента (компьютерную, аналитическую, графическую); учатся систематизировать информацию по теме исследований. При этом формируются способности к самостоятельной и познавательной деятельности студентов.

Методические указания к лабораторной работе предназначены для самостоятельной работы студентов. Они содержат основные теоретические сведения по теме, а также порядок выполнения и оформления лабораторной работы.

К выполнению работы целесообразно приступать только после изучения теоретического и методического материала, соответствующего лабораторной работе, используя при этом как данную методическую разработку, так и учебную литературу из рекомендательного библиографического списка.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

 

Явления переноса в газах.

При нарушениях равновесия в термодинамической системе возникают необратимые процессы. Если равновесие нарушить и предоставить систему самой себе, то возникает процесс релаксации, в результате которого система приходит в равновесное состояние. Если воздействие извне постоянно, то неравновесное состояние сохраняется во времени, возникшие процессы будут стационарны (не зависят от времени).

Нарушение равновесия приводит к переносу из одних мест среды в другие вещества (диффузия), импульса (вязкость), энергии или тепла (теплопроводность).  Эти явления носят название явлений переноса.

Интенсивность процесса характеризуется потоком той или иной величины.

Поток любой физической величины это её количество, переносимое в единицу времени через воображаемую поверхность, перпендикулярно направлению переноса. Поток скалярная физическая величина.

  Плотностью потока физической величины называется ее количество, переносимое в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно направлению переноса.

 

Теплопроводность.

Для описания количества и направления переноса тепла вводится вектор плотности теплового потока (плотности потока энергии) . Его направление совпадает с направлением переноса тепла (энергии), а величина определяется, как количество тепла dQ переносимое в единицу времени через единицу поверхности

где dS - элемент площади, dt - интервал времени.

Выравнивание температуры в системе сопровождается потоком тепла, плотность которого пропорциональна градиенту температуры в данной точке и определяется эмпирическим законом теплопроводности Фурье (Жан Батист Жозеф Фурье (1768 - 1830) – французский математик и физик).

grad T или                                                  (1)

где - коэффициент теплопроводности, grad T - градиент температуры, определяемый по формуле

grad T = = .

Проекции градиента температуры , ,  характеризуют изменение температуры по направлениям x, y, z.

Направление градиента совпадает с направлением, вдоль которого температура растёт быстрее всего, т. е. с направлением, перпендикулярным к изотермам (линиям равной температуры).

Коэффициент теплопроводности - физическая величина, характеризующая и численно равная плотности потока энергии при градиенте температуры равном единице.

В случае одномерных явлений переноса, физические величины, определяющие эти явления, зависят только от одной декартовой координаты.

Для одномерного случая переноса тепла вдоль координаты x

                                                                                  (2)

Для цилиндрической симметрии, когда поток тепла направлен перпендикулярно боковой поверхности цилиндра

                                                                                  (3)

Плотность потока тепла и проекция градиента имеют противоположные знаки, так как энергия переносится в направлении убывания температуры.

 

Метод нагретой нити. Метод применяется для изучения процессов теплообмена в лабораторных условиях. Нить представляет собой проволоку, натянутую вдоль оси вертикального цилиндра. Нить цилиндра нагревается электрическим током I. После того как устанавливается стационарный режим, температура нити перестанет изменяться. Выделяющееся при этом тепло полностью отдается в окружающую среду.

По закону Джоуля-Ленца количество тепла, выделяющееся в электрическом проводнике (в нити) при прохождении по нему тока определяется по формуле

 

или поток тепла (количество тепла в единицу времени)

                                                                                      (4)

Сопротивление нити

                                                                                   (5)

Зависимость электрического сопротивления от температуры

                                                                           (6)

здесь ρ, l, d - удельное сопротивление, длина и диаметр нити, - время нагрева, α - коэффициент температурного сопротивления, Δ t - разность температур газа у поверхностей проволоки T_r и цилиндра T_R.

Температура поверхности проволоки, равная температуре газа у её поверхности определяется по измерению электрического сопротивления.

Поток  тепла Q, переносимый через поверхность S

                                                                              (7)

Для цилиндрически симметричной установки боковая поверхность   S = 2π rl, следовательно

                                                                      (8)

Интегрируя уравнение (8) по радиусу в пределах от r_r до r_R, для разности температур получим

                                                        (9)

Отсюда, коэффициент теплопроводности

                                                        (10)

 

Задача о температурном поле в цилиндрическом слое воды, и вывод формулы для температуры в зависимости от расстояния до струны представлен в приложении 7.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

 

Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха методом нагретой нити при атмосферном давлении и различных температурах поверхности вертикальной цилиндрической  трубки.

 

б)

г)

а)

в)

6

8

7

8

Экспериментальная установка

Рис. 1 Схема установки

 

 

В работе используются: вертикальная цилиндрическая трубка длиной l с двойными стенками и с натянутой внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное R _эт = 3,5 Ом и нагрузочное r _н = 35 Ом сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.

Нить 1 (проволока) натянута между упорами 3, 4 внутри трубки 2. Трубка 5 имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой. Температура стенок трубки  поддерживается термостатом 8, который управляется с пульта управления с надписью "8 термостат 1". Нить 1 включена в схему измерительного моста Уинстона 6, состоящего из эталонного а) и нагрузочного б) сопротивлений, магазина сопротивлений в) и  гальванометра г). 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