Файл: ЛабПр ТДиТМО.doc

Схема установки с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 4.

1-рабочий участок, 2-стеклянный калориметр, 3-токоподводы, 4-регулятор мощности, 5-термопары, 6-амперметр, 7-вольтметр, 8-циркуляционный насос

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Рабочий участок представляет собой тонкую проволоку 1 из заданного электропроводящего материала с соответствующей характеристикой излучающей поверхности F₁. Проволока закреплена концами в токоподводах 3 малого электрического сопротивления. Токоподводы впаяны в стенки калориметра 2, который представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд с двойными стенками, которые образуют вдоль всего рабочего участка водяную тепловоспринимающую оболочку. Внутренняя поверхность водяной рубашки площадьюF₂принимается в качестве тепловоспринимающей поверхности внешней оболочки в замкнутой системе 2-х тел. Стекло для тепловых лучей очень мало проницаемо. Тепловое излучение от рабочего участка, пройдя через вакуумированный зазор, передается посредством теплопередачи через стеклянную стенку калориметра охлаждающей воде. При теплопередаче теплота через стенку передается посредством теплопроводности, а от стенки к воде посредством конвективного теплообмена (теплоотдачи).

Для точного определения искомых характеристик при создании экспериментальной установки необходимо было решить ряд методических задач:

- исключить теплопроводность и конвективный теплообмен в зазоре между поверхностями 1-го и 2-го тел. Для этого было предусмотрено вакуумирование внутреннего пространства калориметра, в котором находится рабочий участок;

- добиться минимальной потери теплоты теплопроводностью в токоподводы 3 от электрически нагреваемого рабочего участка 1. Для этого обеспечивается максимальное термическое сопротивление в местах соединений токоподводов;

- избежать потерь теплоты за счет нагрева подводящих проводов. Для этого они должны иметь несопоставимо малое электрическое сопротивление по сравнению с электрическим сопротивлением рабочего участка;

- добиться постоянства температуры Т₁по длине рабочего участка и Т₂тепловоспринимающей поверхности калориметра. Для этого разность температур

t₂=t_2вых-t_2вхохлаждающей воды на выходе из калориметра и входе в калориметр должна быть минимальна, т.е. составлять 1…1,5ºC. Это достигается за счет соответствующей интенсивности циркуляции воды, обеспечиваемой насосом 8.

Тепловой поток, излучаемый поверхностью рабочего участка, определяется по мощности электрического нагревателя, которая в свою очередь определяется по показаниям амперметра 6 и вольтметра 7. Для изменения мощности электрического нагревателя в его цепь включен регулятор 4. Температура воды на входе и выходе из калориметра измеряется термопарами 5. Температура рабочего участка определяется по специальному графику зависимости электрического сопротивления рабочего участка от температуры. Определение сопротивления участка выполняется на основе закона Ома по значениям силы тока и напряжения, измеренным посредством амперметра 6 и вольтметра 7.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

3.1. Включить установку в сеть и вступить в диалог с программой выполнения работы, заложенной в компьютер.

3.2. Включить циркуляционный насос, прокачивающий воду через калориметр.

3.3. Выбрать вариант методики проведения исследования. В работе предусмотрена возможность проведения исследований по следующим вариантам:

А - вольфрамовый рабочий участок при различных температурах.

Б - медные рабочие участки с различными характеристиками качеств излучающих поверхностей на одном температурном режиме.

Данные по рабочим участкам приводятся в таблице 1.

Таблица 1

3.4. На пульте управления включить тумблер питания измерительных приборов и тумблер нагрева рабочего участка.

3.5 Плавно вращая регулятор нагрева 4, устанавливают выбранный режим нагрева.

3.6. По показаниям амперметра 6 и вольтметра 7 регистрируют значения силы тока и напряжения, соответствующие заданному режиму.

3.7. По показаниям термопар 5 регистрируют значения температуры воды на входе в калориметр и выходе из него. Разность температур должна быть в пределах 1…1,5ºС.

3.8. Результаты измерений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

3.9. После окончания измерений все регулирующие органы установки приводятся в исходное положение.

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Определяется электрическая мощность нагрева проволоки рабочего участка

, Вт (1)

где U– падение напряжения на проволоке рабочего участка, В;

I– сила тока на рабочем участке, А.

2. Определяется омическое сопротивление рабочего участка

, Ом (2)

3. Определяется удельное электрическое сопротивление нагреваемой проволоки рабочего участка

,(3)

где R– сопротивление рабочего участка, Ом;

S– площадь поперечного сечения проволоки, мм²;

L– длина рабочего участка между токоподводами, м.

4. Определяется температура проволоки рабочего участка. Для этого используется градуировочный график зависимости удельного электрического сопротивления материала рабочего участка (r·10⁸, Ом·м ) от температуры (T,K) (см. рис. 5).

Рис. 5. График зависимости удельного электрического сопротивления (r·10⁸, Ом·м)

меди и вольфрама от температуры (T,K)

5. Определяется температура Т₂окружающей проволоку стеклянной стенки, которая охлаждается водой, протекающей через калориметр. В работе принимается, что вся теплота, выделяемая нагретой проволокой при стационарном режиме лучистого теплообмена, отдается через стеклянную стенку охлаждающей воде. Так как термическое сопротивлениетонкой стеклянной стенки мало, то принимают, что температура стенки Т₂равна средней температуре охлаждающей воды

, К (4)

6. Определяется коэффициент излучения С₁поверхности рабочего участка и степень черноты ε₁ поверхности материала рабочего участка.

, ₍₅₎

где Q₁₂– тепловой поток от 1-го тела ко 2-му телу, Вт;

F₁– поверхность излучения 1-го тела, м²;

T₁,T₂– абсолютная температура соответственно 1-го и 2-го тела, К

, (6)

где С₁– коэффициент излучения поверхности рабочего участка,;

С₀=5,67– коэффициент излучения абсолютно черного тела.

7. Строятся графики зависимости коэффициента излучения и степени черноты поверхности вольфрамовой проволоки от температуры

и

8. Результаты расчетов заносятся в таблицу 2.

9. Строится график изменения коэффициента излучения меди в зависимости от качества излучающих поверхностей.

4.10. По результатам построений сделать вывод о зависимости коэффициента излучения и степени черноты от температуры и состояния излучающей поверхности.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

11. В чем заключается механизм переноса теплоты посредством излучения?

12. Что характеризуют излучательная способность и спектральная излучательная способность тела?

13. Что называется абсолютно черным, абсолютно белым и диатермичным телом?

14. Что называется серым телом?

15. Что такое степень черноты?

16. Сформулируйте основные законы теплового излучения.

17. Что такое лучистый теплообмен?

18. Какова теоретическая основа экспериментального метода определения коэффициента излучения и степени черноты излучающего тела?

19. Какие методические задачи должны быть решены при создании экспериментальной установки, реализующей метод определения коэффициента излучения центрального тела в замкнутой системе 2-х тел?

20. Как зависят коэффициент излучения и степень черноты от температуры и состояния поверхности излучающего тела?