Определение теплопроводности газов методом нагретой нити

 Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

 

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Лабораторная работа № 17

 

По дисциплине:                                  Физика

(наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

Тема: «определение теплопроводности газов методом

 нагретой  нити»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  гр.МНМ-13           _________                               /Кузнецов Н.А. /

                                                                                                                           ^{(подпись)                                                                                      (Ф.И.О.)}  

 

 

Проверил:            Профессор              ____________                        /Мартынов В.Л,/

                                                       ^{(должность)                                                     (подпись)                                                                               (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2013

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

 

Краткое теоретическое содержание.

В работе используются: вертикальная трубка с двойными стенками с натянутой  внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное сопротивление 10 Ом и нагрузочное  сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.

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.

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

 [1]

Уравнение [1] может  служить для определения коэффициента теплопроводности c. При этом нужно знать радиусы нити r, цилиндра r_ц, длину цилиндра L, поток тепла Q и разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра T_r – T_ц.

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.

Экспериментальная установка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проволока 1 натянута между упорами 3-4 внутри трубки 2. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой. Температура стенок трубки поддерживается термостатом 10, который управляется с пульта 12. Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить 1 включена в схему измерительного моста Уитстона, состоящего из магазина сопротивлений 8, гальванометра 9, нагрузочного 7 и эталонного сопротивлений 6. 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 11.

Технические характеристики установки:

- диаметр проволоки  (1)    0,1 мм;

- внутренний  диаметр трубки (5)   8 мм;

- длина проволоки  (1)    0,5 м;

- материал проволоки    вольфрам;

- коэффициент  температурного сопротивления 

- величина       3,5 Ом;

- величина       35 Ом.

 

 

Основная  рабочая формула.

, где:

-коэффициент тепловодности,

r - радиус нити,

R -радиус цилиндра,

L - длина цилиндра ,

Q - поток тепла,

  - разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра.

Таблица результатов измерений.

Физ.величина		U	I	R
Ед. измерения Номер опыта	K	B	A	Ом
1	293	1	0,16	38,8
2	293	2	0,32	40,6
3	293	3	0,47	43,5
4	293	4	0,6	47,2
5	293	5	0,72	51,5

 

график зависимости .

I^2	R
0,0256	38,8
0,1024	40,6
0,2209	43,5
0,36	47,2
0,5184	51,5

 

Таблица определения коэффициента теплопроводности.

Физ.вел		U	I	R	Q			λ
Ед.изм. Номер оптыта	K	B	A	Ом	Вт	К	К	Вт/м*К
1	293	1	0,16	38,8	0,76	2485,54	1389,27
2	313	4	0,6	48,5	14,14	3108,03	1710,51
3	333	8	1	68,7	55,64	4382,68	2357,84
4	353	12	1,3	91,2	126,98	5800,2	3076,6

 

 

Вычисления  и результаты.

 

 

 

 

График зависимости

Tср	λ
1389,27	0,000397
1710,51	0,058
2357,84	0,15752
3076,6	0,26726

 

 

 

Погрешность прямых измерений.

Погрешность косвенных измерений.

 

 

Вывод: В ходе лабораторной работы был определен коэффициент теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.