Файл: Определение коэффициента теплопроводности газа методом нагретой нити.docx

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.01.2024

Просмотров: 22

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра общей и технической физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17По дисциплине Физика (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)Тема работы: Определение коэффициента теплопроводности газа методом нагретой нити Выполнил: студент гр. БТБ-22 Павленко А.А. (группа) (подпись) (Ф.И.О.)Оценка:Дата:ПроверилРуководитель работы: (должность) (подпись) (Ф.И.О.)Санкт-Петербург 2023Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха методом нагретой нити при атмосферном давлении и различных температурах поверхности вертикальной цилиндрической трубки.Явление, изучаемое в работе: теплопроводность воздуха.Определения основных понятий, процессов и величин:Теплопроводность – способность материальных тел проводить тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела.Коэффициент теплопроводности – физическая величина, характеризующая и численно равная плотности потока энергии при градиенте температуры равном единице.Поток любой физической величины - это её количество, переносимое в единицу времени через воображаемую поверхность, перпендикулярно направлению переноса. Поток скалярная физическая величина.Плотностью потока физической величины называется ее количество, переносимое в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно направлению переноса.Конвекция – вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоком. Явление переноса - Нарушение равновесия приводит к переносу из одних мест среды в другие вещества (диффузия), импульса (вязкость), энергии или тепла (теплопроводность). Градиент температуры — величина, равная скорости изменения температуры на единицу длины. Направление градиента совпадает с направлением, вдоль которого температура растёт быстрее всего, т. е. с направлением, перпендикулярным к изотермам (линиям равной температуры).Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.Законы и соотношения, использованные при выводе расчетной формулы:Закон Джоуля – Ленца — закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.Количество тепла, выделяющееся в электрическом проводнике (в нити) при прохождении по нему тока определяется по формуле: , где Q – количество тепла, выделяемого в проводнике, Дж; I – сила тока в проводнике, А; R – сопротивление проводника, Ом; U – напряжение, приложенное к проводнику, В; t – время прохождения тока в проводнике, с.Закон Фурье:В установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры: , где – плотность теплового потока,Вт/м2, λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/м*К, – градиент температуры, К/м.Схема установки: 1.Нить (проволока)2.Трубка, внутри которой натянута нить3,4. Упоры5. Трубка, в которой циркулирует вода с заданной температурой6. Мост Уинстона: эталонное сопротивление7. Мост Уинстона: нагрузочное сопротивление8. Магазин сопротивлений9. Гальванометр10. Термостат11. Пульт управления источником питания E12. Пульт управления термостатомОсновные расчетные формулы: 1. Поток тепла, переносимый воздухом с проволоки, Вт , где R – удельное сопротивление проволоки, Ом; I – сила тока в проводнике, А.2. Температура газа поверхности проволоки, К , Токр – температура окружающей среды, К; R – сопротивление проволоки, Ом; R0 – эталонное сопротивление проволоки, Ом; a – коэффициент температурного сопротивления, К-13. Среднеарифметическая температура, К , где TR – температура поверхности цилиндра, К4. Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К , где rr – радиус нити, м; rR – радиус цилиндра, м; l – длина проволоки, мФормулы для расчета погрешностей косвенных измерений: где ∆I – абсолютная погрешность силы тока, текущей в проволоке, А; – среднее значение силы тока, текущей в проволоке, А; ∆R – абсолютная погрешность измерения удельного сопротивления проволоки, Ом; – среднее значение удельного сопротивления проволоки, Ом.Таблицы с результатом измерений и вычислений: Таблица 1

График зависимости :

Таблица 2

Пример решения:

Результаты:

График зависимости :

Анализ полученного результата:

Среднее значение коэффициента теплопроводности:

при TR=293 K:

при TR=313 K:

при TR=333 K:

при TR=353 K:

Вывод:


ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ



МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей и технической физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17

По дисциплине Физика

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема работы: Определение коэффициента теплопроводности газа методом нагретой нити

Выполнил: студент гр. БТБ-22 Павленко А.А.

(группа) (подпись) (Ф.И.О.)

Оценка:

Дата:

Проверил

Руководитель работы:

(должность) (подпись) (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург 2023

Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха методом нагретой нити при атмосферном давлении и различных температурах поверхности вертикальной цилиндрической трубки.

Явление, изучаемое в работе: теплопроводность воздуха.

Определения основных понятий, процессов и величин:

Теплопроводность – способность материальных тел проводить тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела.

Коэффициент теплопроводности – физическая величина, характеризующая и численно равная плотности потока энергии при градиенте температуры равном единице.

Поток любой физической величины - это её количество, переносимое в единицу времени через воображаемую поверхность, перпендикулярно направлению переноса. Поток скалярная физическая величина.

Плотностью потока физической величины называется ее количество, переносимое в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно направлению переноса.

Конвекция – вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоком.

Явление переноса - Нарушение равновесия приводит к переносу из одних мест среды в другие вещества (диффузия), импульса (вязкость), энергии или тепла (теплопроводность).

Градиент температуры — величина, равная скорости изменения температуры на единицу длины. Направление градиента совпадает с направлением, вдоль которого температура растёт быстрее всего, т. е. с направлением, перпендикулярным к изотермам (линиям равной температуры).

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

Законы и соотношения, использованные при выводе расчетной формулы:

Закон Джоуля – Ленца — закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.

Количество тепла, выделяющееся в электрическом проводнике (в нити) при прохождении по нему тока определяется по формуле:

, где

Q – количество тепла, выделяемого в проводнике, Дж; I – сила тока в проводнике, А; R – сопротивление проводника, Ом; U – напряжение, приложенное к проводнику, В; t – время прохождения тока в проводнике, с.

Закон Фурье:

В установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

, где

– плотность теплового потока,Вт/м2, λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/м*К, – градиент температуры, К/м.

Схема установки:




1.Нить (проволока)

2.Трубка, внутри которой натянута нить

3,4. Упоры

5. Трубка, в которой циркулирует вода с заданной температурой

6. Мост Уинстона: эталонное сопротивление

7. Мост Уинстона: нагрузочное сопротивление

8. Магазин сопротивлений

9. Гальванометр

10. Термостат

11. Пульт управления источником питания E

12. Пульт управления термостатом

Основные расчетные формулы:


1. Поток тепла, переносимый воздухом с проволоки, Вт

, где R – удельное сопротивление проволоки, Ом; I – сила тока в проводнике, А.

2. Температура газа поверхности проволоки, К

, Токр – температура окружающей среды, К; R – сопротивление проволоки, Ом; R0 – эталонное сопротивление проволоки, Ом; a – коэффициент температурного сопротивления, К-1

3. Среднеарифметическая температура, К

, где TR – температура поверхности цилиндра, К

4. Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К

, где rr – радиус нити, м; rR – радиус цилиндра, м; l – длина проволоки, м

Формулы для расчета погрешностей косвенных измерений:








где ∆I – абсолютная погрешность силы тока, текущей в проволоке, А; – среднее значение силы тока, текущей в проволоке, А; ∆R – абсолютная погрешность измерения удельного сопротивления проволоки, Ом; – среднее значение удельного сопротивления проволоки, Ом.

Таблицы с результатом измерений и вычислений:


Таблица 1




TR, K

U, B

I, A

R, Ом

1



298

1

0,15

3,88

2

2

0,29

4,06

3

3

0,42

4,35

4

4

0,54

4,72

5

5

0,64

5,15



График зависимости :




Продлив линию тренда до значения I2=0 А, находим сопротивление проволоки при комнатной температуре R0=3,8 Ом

Таблица 2


 

TR, K

U, B

I, A

R, ОМ

Q, Вт

Tr, K

Tср, K

χ, Вт/м*К

1

 

 

 

 

 

 

293

1

0,15

3,88

0,07

302,58

434,29

0,0105

3

0,42

4,35

0,63

329,46

447,73

0,0243

5

0,64

5,15

1,74

375,23

470,62

0,0296

7

0,8

6,14

3,25

431,87

498,93

0,0326

9

0,92

7,21

5,04

493,08

529,54

0,0352

11

1,03

8,3

7,28

555,44

560,72

0,0387

13

1,11

9,38

9,55

617,22

591,61

0,0411

2

 

 

 

 

 

 

313

1

0,15

3,95

0,07

306,58

446,29

-0,0160

3

0,41

4,64

0,64

346,05

466,03

0,0272

5

0,62

5,41

1,72

390,11

488,05

0,0311

7

0,78

6,36

3,20

444,45

515,23

0,0339

9

0,91

7,39

5,06

503,38

544,69

0,0371

11

1,01

8,46

7,13

564,59

575,30

0,0396

13

1,1

9,52

9,52

625,23

605,62

0,0426

3

 

 

 

 

 

 

333

1

0,14

4,52

0,07

339,19

472,59

0,0165

3

0,39

4,93

0,62

362,65

484,32

0,0292

5

0,6

5,66

1,68

404,41

505,20

0,0329

7

0,76

6,58

3,14

457,04

531,52

0,0353

9

0,89

7,58

4,96

514,25

560,12

0,0382

11

1

8,62

7,12

573,74

589,87

0,0413

13

1,09

9,67

9,49

633,81

619,91

0,0440

4

 

 

 

 

 

 

353

1

0,13

4,84

0,07

357,50

491,75

0,0210

3

0,38

5,23

0,62

379,81

502,90

0,0325

5

0,58

5,92

1,65

419,28

522,64

0,0347

7

0,75

6,8

3,16

469,62

547,81

0,0378

9

0,88

7,78

4,98

525,69

575,84

0,0402

11

0,98

8,8

6,98

584,04

605,02

0,0422

13

1,07

9,82

9,29

642,39

634,20

0,0448

Пример решения:









Результаты:


Вт

К

К

Вт/м*К

График зависимости :



Анализ полученного результата:

Среднее значение коэффициента теплопроводности:

при TR=293 K:




справочное значение: χ=0,026

погрешность: 13%

погрешность косвенных измерений:



3%

при TR=313 K:




справочное значение: χ=0,028

погрешность: 3%

погрешность косвенных измерений:



3%

при TR=333 K:




справочное значение: χ=0,029

погрешность: 14%

погрешность косвенных измерений:



3%

при TR=353 K:




справочное значение: χ=0,031

погрешность: 14%

погрешность косвенных измерений:



3%

Вывод:


В ходе лабораторной работы был вычислен коэффициент теплопроводности газа (воздуха). Для этого были вычислены поток тепла
, переносимый воздухом с проволоки, и температура газа поверхности проволоки. Так же были построены графики с зависимостями и с аппроксимирующими линиями тренда. Были найдены погрешности относительно справочных материалов (она составила 12%) и косвенных измерений (3%). Итоговый результат составил χ=(0,032±0,001) Вт/м*К. учитывая довольно небольшие погрешности, можно сделать вывод, что в ходе лабораторной работы было получено достаточно точное значение.