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:

— 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

2. 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

3. 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

Из графика следует, R0 = 37,8 [Ом]

Таблица№ 2 Зависимость сопротивления нити R от силы тока в цепи I при разных ТR

4. 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.