Отчет по лабораторной работе 134 Измерение коэффициента теплопроводности воздуха
![]()
|
Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Отчет по лабораторной работе № 134 «Измерение коэффициента теплопроводности воздуха» Дата протокола 11.02.20 Дата отчета 03.03.20 Выполнила: Студентка 1 курса ВШ ОПФ Петрова Ирина Проврил:к.ф.-м.н. Викторов Михаил Евгеньевич Цель работы – изучение теплопроводности воздуха как одного из явлений переноса в газах, измерение коэффициента теплопроводности воздуха, сравнение полученных результатов с табличными Оборудование: экспериментальная установка ФПТ-3 Теоретическая часть Теплопередача в газах осуществляется тремя способами: тепловым излучением, конвекцией и теплопроводностью. При теплопроводности осуществляется непосредственная передача энергии от молекул с большей энергией к молекулам с меньшей энергией. Для стационарного процесса, при котором разность температур в слое газа не изменяется со временем, количество теплоты dQ, которое переносится за время dt через площадку S, перпендикулярно к направлению r переноса энергии определяется по закону Фурье: ![]() где k – коэффициент теплопроводности; ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Рассмотрим два коаксиальных цилиндра, пространство между которыми заполнено газом. Если внутренний цилиндр нагревать, а температуру наружного цилиндра поддерживать постоянной (ниже температуры нагревателя), то в кольцевом слое газа возникает тепловой поток, направленный от внутреннего цилиндра к наружному. При этом температура слоёв газа, прилегающих к стенкам цилиндров, равна температуре стенок. Выделим в газе кольцевой слой радиусом r, толщиной dr и длиной L. По закону Фурье (1) ![]() ![]() Разделяя переменные, получим ![]() Считая, что диаметр и температура внутреннего цилиндра равны соответственно d и ![]() ![]() ![]() то есть ![]() Из уравнения (4) получим формулу для определения коэффициента теплопроводности газа ![]() Формула (5) получена в предположении, что теплота переносится от внутреннего цилиндра к наружному только благодаря теплопроводности ( а оно достаточно обосновано, поскольку поток энергии при невысоких температурах и малом диаметре нагревателя составляет незначительную часть переносимого количества теплоты, а конвекция устраняется подбором диаметра наружного цилиндра и его вертикальным расположением в экспериментальной установке). Внутренним цилиндром в работе служит вольфрамовая проволока, которая нагревается электрическим током. После установления стационарного режима мощность тепловых потерь можно принять равной тепловой мощности, выделяющейся при протекании по проволоке электрического тока ![]() где ![]() ![]() Если последовательно с проволокой включить эталонный резистор ![]() ![]() и тогда ![]() где ![]() ![]() Здесь Dи d – диаметры наружного цилиндра и проволоки; ![]() ![]() Для вычисления разности температур ![]() ![]() где α – температурный коэффициент сопротивления материала проволоки, а ![]() ![]() ![]() ![]() Учитывая, что ![]() ![]() Здесь ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Общий вид экспериментальной установки (см.рис.1): 1 – блок приборов; 2 – цифровой термометр; 3 – блок рабочего элемента; 4 – вольфрамовая проволока; 5 – цифровой вольтметр; 6 – датчик температуры. ![]() Рис.1 Рабочий элемент установки представляет собой стеклянную трубку, заполненную воздухом, вдоль оси которой натянута вольфрамовая проволока 4. Температура трубки в ходе эксперимента поддерживается постоянной благодаря принудительной циркуляции воздуха между трубкой и кожухом блока рабочего элемента 3, которая осуществляется с помощью вентилятора, находящегося в блоке рабочего элемента. Температура воздуха в кожухе (а, следовательно, и температура самой трубки) измеряется цифровым термометром 2. Падение напряжения на эталонном резисторе ![]() ![]() ![]() Экспериментальная часть Включив установку тумблером «Сеть», и включив тумблер «Нагрев», начнём увеличивать напряжение на проволоке. Нажав кнопку « ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
Далее продолжим эксперимент. Нажмём кнопку « ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
Оценим погрешность результатов измерения, используя формулы для вычисления абсолютной и относительной погрешностей прямых и косвенных измерений (9-11): ![]() ![]() ![]() (10) (11) Где А – измеряемая величина, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Получим, что ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Таблица 3. Вывод: Данный способ измерений позволяет оценить значение коэффициента теплопроводности воздуха, но погрешность результата велика. Это может быть вызвано конструктивными особенностями установки и порядком проведения эксперимента: температура самопроизвольно менялась в диапазоне порядка 1-го градуса (в лаборатории открывали окно, общая температура помещения снижалась, а значит, уже менее нагретый воздух попадал в вентиляционную систему установки); косвенные измерения температуры нити не могли обеспечить нужной точности из-за малых изменений сопротивления при изменениях температуры; двух минут, возможно, не достаточно для стабилизации теплового режима. |