Описание лабораторной установки. В задаче определяется теплопроводность латунного стержня

В задаче определяется теплопроводность латунного стержня, конец которого нагревается в электропечи (рис. 1).

Рис. 1.Установка для определения коэффициента теплопроводности металлов (электропечь).

Количество тепла, отдаваемого печью в единицу времени, определяется конструкцией установки в нашей работе:

q=0,24I₀ U₀ =12,9 Вт,

где I₀ и U₀ – определяемые приборами напряжение на концах обмотки печи и сила тока в цепи обмотки. Температура печи (конца стержня) Т₁ определяется термопарой. Теплота Q частично идет на создание теплового потока q, обусловленного теплопроводностью стержня, частично в окружающее печь пространство q₁, так что

Q=q₁ +q.

Для уменьшения ошибки в определении q необходимо, чтобы величина q₁ была мала по сравнению с величиной q, для этого печь помещена в специальное устройство. Температура стержня Т измеряется в пяти точках, при этом температура в точке, ближайшей к нагревателю, является температурой печи.

Задание и отчетность

1. В начале определяют площадь поперечного сечения S исследуемого стержня, для этого измеряют его диаметр, затем масштабной линейкой измеряют длину стержня l и расстояние х_i от нагреваемого конца стержня до каждой из четырех точек, высверленных в стержне, принимая за нагреваемый конец ближайшее к печи отверстие.

2. Вставить датчик термопары в первое отверстие стержня, закрепленного длинным концом в нагревателе.

3. Включить измерительный мост УИП-60М тумблером Т.

4. Включить печь в сеть и прогреть ее 20¸25 мин.

5. Вращая ручку потенциометра П добиться, чтобы стрелка гальвонометра G установилась на нуле. Показания термоЭДС снять со шкалы, связанной с потенциометром. Провести измерения ЭДС во всех точках стержня. Результат занести в таблицу, найти среднее значение для каждой точки. Перевести среднее значение ЭДС e в соответствующую ей температуру по следующей формуле

, (8)

где - температура окружающей среды (⁰С),

t⁰ - измеряемая температура,

.

6. Сменить стержень на другой из другого металла.

( Осторожно, возможен ожог! )

7. Повторить п.п. 2-5

8. Тумблером Т отключить питание измерительного моста.

9. Построить графики зависимости Т (х).

10. С учетом формул (6) и (8) рассчитать для всех контрольных точек и различных материалов величину коэффициента теплопроводности по формуле

где индекс i соответствует номеру контрольной точки.

11. Для данного материала рассчитать среднее значение коэффицента теплопроводности, абсолютную ошибку и окончательный результат записать в виде:

Контрольные вопросы

1. Объяснить полученные закономерности в значениях l для различных металлов.

2. Объяснить фононный и электронный механизмы переноса тепла в твердых телах.

3. Что такое коэффициент теплопроводности?

Литература

1. Кикоин В. Н. Кикоин А. П. Молекулярная физика.- М.: Наука., 1976.

2. Сивухин Л. В. Общий курс физики.- М.: Наука., 1975.

р а б о т а № 5

Исследование температурной зависимости коэффициента вязкости в жидкости

Принадлежности: термостат, трансформаторное масло, экспериментальная установка, весы торсионные.

Теория метода

На капельку воды (или на твердый шарик), падающий в вязкой жидкости, действуют 3 силы: сила тяжести, подъемная сила (закон Архимеда) и сила сопротивления движению, обусловленная силами внутреннего трения жидкости. При движении шарика слой жидкости, граничащий с его поверхностью, прилипает к шарику и движется со скоростью шарика. Таким образом, при вычислении сопротивления среды следует учитывать трение отдельных слоев жидкости друг о друга, а не трения шарика о жидкость.

Если шарик падает в жидкость, простирающейся безгранично по всем направлениям, не оставляя за собой никаких завихрений (малая скорость падения, маленький шарик), то, как показал Стокс, сила сопротивления равна:

, (1)

где h -коэффициент внутреннего трения жидкости,

v -скорость шарика,

r -его радиус.

Вывод этой формулы довольно сложен и поэтому не может быть приведен здесь, его можно найти в специальной литературе. Однако вид соотношения, определяющего силу f , можно с точностью до постоянного множителя установить исходя из соображений размерностей.

Опыт показывает, сила сопротивления будет тем больше, чем больше коэффициент внутреннего трения h, радиус r и скорость v падающего шарика. Таким образом, можно записать

, (2)

но

. (3)

Сравнивая соотношения (2) и (3) нетрудно видеть, что r^xv^y должно иметь размерность , т.к.

, а

; .

; ; откуда , .

Следовательно .

Множитель этим методом не может быть определен, он получается равным 6p, если решить задачу гидродинамики вязкой жидкости.

В случае падения шарика в жидкости уравнение движения имеет вид

. (4)

Здесь r- плотность вещества шарика (капелька жидкости),

r₁- плотность жидкости (трансформаторного масла),

g- ускорение силы тяжести.

Все три силы, входящие в правую часть уравнения (4) будут направлены по вертикали: сила тяжести – вниз, подъемная сила и сила сопротивления – вверх. Сила сопротивления с увеличением скорости движения шарика возрастает, а ускорение уменьшается и, наконец, шарик достигает такой скорости, при которой ускорение становится равным нулю, тогда уравнение примет вид

. (5)

В этом случае шарик движется с постоянной скоростью v₀ .

Такое движение шарика (капелька воды) называется установившимся.

Решая уравнение (5) относительно коэффициента внутреннего трения, получаем

. (6)

Зная величины, находящиеся в правой части равенства можно определить коэффициент внутреннего трения жидкости.

Практически невозможно осуществить падение шарика в безграничной среде, так как всегда жидкость находится в каком-то сосуде, имеющем стенки. Если шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда радиуса R, то учет наличия стенок приводит к следующему выражению для коэффициента вязкости:

. (7)

Поиск по сайту: