Описание лабораторной установки и

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 10Следующая ⇒

МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

  В данной лабораторной работе определение коэффициента теплопроводности воздуха производится методом нагреваемой нити. Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

  Здесь ИП - источник питания; R - резистор, включенный в цепь нагревателя; КИС – компьютерная измерительная система; ИБ - измерительный блок (прибор); ПК – компьютер.

Рис. 1

  Схема измерительного блока (ИБ) показана на рис. 2. Прибор представляет собой два коаксиальных стеклянных цилиндра (1) и (2), которые закрыты с торцов теплоизолирующими и электроизолирующими пробками (3) и (4). Через эти пробки во внутренний цилиндр проведена проволочная нить (5), которая нагревается электрическим током.

  В результате передачи тепла в окружающее пространство стенки цилиндров нагреваются, но имеют разную температуру Т₁ и Т₂. Измерение разности температур производится дифференциальной термопарой хромель – копель (6-7).   

Рис. 2

  Для вывода расчетной формулы используем уравнение Фурье (1), при этом учтем, что передача тепла происходит от одной цилиндрической поверхности к другой, т.е. вдоль радиусов цилиндров. Тогда имеем:

                                         .                                             (3)

  В данной работе перенос теплоты за счет теплопроводности осуществляется между двумя коаксиальными цилиндрами с радиусами r ₁ и   r ₂ и высотой h. Температуры цилиндров в установившемся режиме Т₁ и Т₂.

Передача теплоты от внутреннего цилиндра к внешнему может происходить за счет трех процессов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

  Уравнение Фурье описывает только процесс теплопроводности, конвекция исключена конструктивными особенностями прибора: вертикальным расположением цилиндров и теплоизолирующими пробками на их торцах. Теплопередачу за счет лучеиспускания можно не учитывать, т.к. температура внутреннего цилиндра Т₁ не превышает 100⁰.

  Количество теплоты Q, стекшее с цилиндра радиусом r ₁ в единицу времени D t и попавшее на цилиндр радиусом r ₂, целиком пройдет через любую цилиндрическую поверхность радиуса r. Иными словами, полный тепловой поток не зависит от радиуса цилиндрической поверхности, через которую он проходит. Этот поток Q_T можно определить как произведение удельного теплового потока q на площадь поверхности цилиндра радиусом r и высотой h: S =2 p rh. Тогда:

                                      .                                  (4)

   Умножив левую и правую части уравнения (3) на 2 p rh, получим:

                       .                                (3¹)

Тогда:

                               .                             (5)

Это дифференциальное уравнение решается методом разделения переменных:

                                     .                               (6)

Проинтегрировав уравнение (6) в заданных пределах:

                                                          (7)

получим:

        .              (8)

Учитывая, что: , , получим:

                             .                         (9)

Это и есть тепловой поток от первого цилиндра ко второму за счет теплопроводности. Он равняется тепловой мощности Р, которая выделяется во внутреннем цилиндре за счет нагревания проволочной нити электрическим током: P = IU, тогда:

                                    P = IU = Q_T.                                           (10)

После подстановки (10) в (9) найдем k:

                             .                                  (11)

Значения D Т измеряются компьютерной измерительной системой и высвечиваются на экране, величины r ₁, r ₂, h  приведены в таблице 1.Значения I, U, рассчитываются по экспериментальным данным.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить соединение элементов установки в соответствии с рис. 1. С разрешения преподавателя или заведующего лабораторией включить сеть «220 В», включить «фильтр», при этом включается источник питания (ИП) и измерительный блок (ИБ). Включить компьютер.

2. Нажать F 1, высветится А: \ >, нажать буквы: N C /. Нажать «Enter».

3. Нажать «Esc», табулятором   установить L -макро. Нажать «Enter».

4. Стрелкой управления курсором установить «L - demon». Нажать «Esc», 

Нажать «Enter».

5. Стрелкой управления курсором установить тему: Измерение теплопроводности воздуха. Нажать «Enter».

6. На блоке питания поставить переключатель в положение «1» (зафиксировать время включения), при этом происходит нагревание проволочной нити, что отражается на экране. Выждать не менее 10 мин, до установления стационарного значения разности температур, записать значения D T_i (левое окно на экране) и U_Ri ( правое окно), в таблицу 1.

7. Повторить измерения согласно пункту 3, поставив переключатель на блоке питания сначала в положение «2», выждать не менее 10 мин, снять показания D T_i и U_Ri; а затем в положение «3». Полученные значения D T_i и U_Ri записать в таблицу 1.

Положение «4» переключателя на источнике питания -   

не включать!

8. Выключить источник питания, для чего переключатель на источнике питания поставить в положение «0».

9. Выйти из программы, нажав «Esc», «Esc», Y, F 10,  «Enter».

10. Выключить компьютер. Выключить фильтр, сеть «220 В»

                                                                                          Таблица 1

   Обозначения, принятые в таблице:

r ₁ - радиус внутреннего цилиндра; r ₂ - радиус внешнего цилиндра; h - длина цилиндров; R - сопротивление резистора, включенного в цепь нагревателя; U _{ИП i} - напряжение на зажимах источника тока; D T_i - стационарное значение разности температур; U_Ri - падение напряжения на резисторе; U_i - падение напряжения на нагревателе; I_i - сила тока в цепи нагревателя.

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте