Механика и молекулярная физика (стр. 15 )

При выполнении работы соблюдайте общие правила по технике безопасности в соответствии с инструкцией для лаборатории по механике.

Контрольные вопросы

1.Что такое вязкое трение и от чего зависит сила вязкого трения?

2.Каков физический смысл динамической вязкости? В каких единицах измеряется она в системе СИ?

3.В чем суть метода Стокса для определения вязкости жидкости?

4.Какова кинематика движения шарика в вязкой жидкости?

5.Какова динамика движения шарика? Какие силы действуют на шарик?

6.Какая из сил, действующих на шарик, меняется при движении его в вязкой среде?

7.Какое уравнение справедливо для начального момента движения шарика в жидкости? В конце движения шарика?

8.От какого параметра, входящего в формулу силы Стокса, зависит изменение этой силы в данном опыте?

9.Как зависит вязкость жидкости от температуры?

10. Как связаны между собой динамическая и кинематическая вязкость данной жидкости?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Трофимова физики. М.: Высш. школа, 1998, с. 64-65.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕЛ

Приборы и принадлежности: прибор Христиансена, три термометра, нагреватель с кипятильником, резиновые трубки для подведения холодной воды и пара, пластинка с известным коэффициентом теплопроводности (эталонная пластинка), штангенциркуль, пластинка с неизвестным коэффициентом теплопроводности.

Цель работы: изучение одного из методов определения коэффициента теплопроводности.

Краткая теория

Явление теплопроводности заключается в направленном переносе энергии и возникает тогда, когда различные части среды имеют различную температуру, т. е. обладают различной внутренней энергией.

Перенос тепла в теле происходит в направлении точек тела имеющих более низкую температуру. В общем случае температура в различных точках тела является функцией координат точки х, у, z и времени t. Значительно упрощается решение задачи о теплопроводности, если считать температуру в каждой отдельной точке постоянной, т. е. не изменяющейся со временем. Иначе говоря, температура в различных точках тела является функцией только координат точки х, у, z. Таким образом, можно написать

T=T (x, y, z).

Это случай стационарного теплового состояния.

Поверхности одинаковой температуры называются изотермическими поверхностями. Положение и форма

изотермических поверхностей при

Рис. 14.1

стационарном тепловом состоянии со временем не изменяются.

Нормали к изотермическим поверхностям определяют те направления, по которым в теле распространяется тепло (рис.14.1) В теории теплопроводности количество теплоты dQ, которое проходит внутри тела через элемент поверхности dS за время dt, определяется уравнением Фурье:

dQ= - (14.1)

где k - коэффициент теплопроводности;

- градиент температуры по нормали к изотермической поверхности.

Градиент температуры показывает изменение температуры на единицу длины по направлению движения тепла. Скорость распространения тепла зависит от природы тела.

В газах теплопроводность очень мала, в жидкостях несколько больше. Если говорить о твердых телах, то надо различать два вида твердых тел: проводники и диэлектрики. Теплопроводность диэлектриков мала по сравнению с теплопроводностью проводников. Объясняется это тем, что главную роль в теплопроводности металлов играют электроны. Электроны обладают огромной подвижностью, поэтому теплопроводность металлов значительно выше теплопроводности других тел.

Описание установки

Одним из методов определения коэффициента теплопроводности твердых тел является метод температурного градиента. Представление о методе температурного градиента можно получить из такого опыта.

Испытуемый стержень (рис. 14.2) концом 1 погружен в сосуд А с кипящей водой, а концом 2 – в сосуд В с холодной водой. Измерив температуру в сосуде В до начала опыта и через некоторый промежуток времени dt, можно вычислить количество тепла dQ, прошедшее через стержень 1-2.

Если стержень 1-2 состоит из двух различных материалов, границей которых служит сечение МN, то будет наблюдаться следующее:

через некоторое время после начала

Рис. 14.2

опыта процесс станет стационарным, т. е. количество тепла dQ1, приходящее к площади dS сечения МN от тела с более высокой температурой, будет равно количеству тепла dQ2, уходящему от этого сечения к телу с более низкой температурой. Поэтому, когда dQ1=dQ2, то на основании уравнения Фурье (1) имеем

,

где – градиент температуры на участке 1М стержня, – градиент температуры на участке М2.

Сокращая на dS, dt, получим

Из этого соотношения видно, что температурный градиент будет меньше в стержне из материала, у которого коэффициент теплопроводности больше. На этом принципе устроен прибор Христиансена, показанный на рис 14.3.

Рис. 14.3

В приборе два медных сосуда: нижний сосуд А, через который протекает проточная холодная вода, и верхний сосуд В, через который проходит пар. Между обоими сосудами находятся три толстые медные пластины С1, С2 и С3 с отверстиями для термометров t1, t2, t3. Между верхней и средней пластинами помещается слой испытуемого вещества Е, теплопроводность которого k1 надо определить. Между средней и нижней пластинами – слой вещества D с известной теплопроводностью k2.

Оба слоя берутся с площадью поперечного сечения S, равной площади сечения пластин C1, C2, C3.

В начале опыта, когда пар только еще начал проходить через сосуд В, показания термометров изменяются, но через некоторый промежуток времени становятся неизменными, т. е. процесс становится стационарным. В результате этого через сечения Е и D за одинаковое время проходит равное количество тепла. По уравнению (14.1) количество тепла, проходящее за время dt через испытуемый слой Е,

где l1 - толщина испытуемого слоя Е.

Количество тепла, проходящее за время dt через слой D,

где l2 – толщина слоя D.

Так как dQ1=dQ2 (при стационарном процессе), то

(14.2)

Порядок выполнения работы

!!! ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ!!! Во избежание отравления ртутью обращаться с термометрами следует очень осторожно, особенно когда термометры вставлены в отверстия в медных пластинах. Необходимо также следить, чтобы в кипятильнике было достаточно воды. Шланги, выходящие из прибора Христиансена с горячей водой (паром) и с холодной водой, должны быть выведены в раковину. При выполнении работы прибор сильно нагревается, поэтому, во избежание ожога, к нему нельзя прикасаться.

1. Измерьте толщину испытуемого материала l1 (эбонит) и материала с известным коэффициентом теплопроводности l2 (сталь).

2. Установите прибор по схеме, изображенной на рис.14.3.

3. К верхнему сосуду В от кипятильника подведите пар.

4. Откройте водопроводный кран так, чтобы вода входила по одной трубке в сосуд А и выходила по другой из него (выходящая вода с паром отводится в раковину).

5. При установлении стационарного процесса показания термометров t1, t2, t3 запишите в таблицу.

6. Зная коэффициент теплопроводности слоя D (сталь) k2=46 Вт/(м·К), найдите по формуле (14.2) коэффициент теплопроводности k1 испытуемого слоя эбонита Е.

7. Все полученные опытно и вычисленные результаты занесите в таблицу.

Техника безопасности

При выполнении работы необходимо соблюдать требования инструкции №1 по технике безопасности и следить за тем, чтобы в кипятильнике была вода. Шланги с паром и холодной водой необходимо вывести в раковину.

Контрольные вопросы

1. Какой физический смысл имеет коэффициент теплопроводности?

2. Как соотносятся между собой коэффициенты теплопроводности металлов, жидкостей и газов?

3. Какой тепловой процесс называется стационарным?

4. Как меняется коэффициент теплопроводности газа с повышением температуры?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Курс физики. М.: Высш. школа, 1998, с.95-97.

2. , Курс физики. М.: Высш. школа, 2000, с.137-143.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ПРИ КОНВЕКЦИИ

Приборы и принадлежности: Латунная трубка, предназначенная для нагревания, термосопротивления и градуировочный график к ним, выпрямитель.

Цель работы: определение экспериментальным путем коэффициента теплопередачи при конвекции.

Краткая теория

Существуют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Конвекция – это такой способ теплопередачи, который осуществляется движением различно нагретых масс жидкости или газа. Причем конвективная теплопередача осуществляется только в том случае, если жидкость или газ нагреваются снизу или охлаждаются сверху.

Теплопередача путем теплопроводности может происходить между двумя различно нагретыми телами, находящимися в непосредственном тепловом контакте друг с другом, или между различно нагретыми частями одного и того же тела независимо от его агрегатного состояния.

В случае теплопередачи теплопроводностью и конвекцией тела или их отдельные слои должны находиться в непосредственном контакте. Опыт, однако, показывает, что теплопередача возможна и в том случае, когда холодные и горячие тела разделены в пространстве. Например, от Солнца на Землю поступает огромное количество тепла, хотя оба эти небесных тела разделены громадным расстоянием. В этом случае передача тепла осуществляется тепловым излучением. Тепловое излучение имеет место при любой температуре, только происходит с различной интенсивностью. Различные тела даже при одной и той же температуре излучают разное количество энергии. Опыт показывает, что если тело хорошо поглощает тепловое излучение, то оно же хорошо и излучает (при той же температуре). Из всех тел лучше всего поглощают энергию черные или зачерненные тела (например, сажа или платиновая чернь). Черные тела лучше других и излучают энергию.

Количество тепла, передаваемое путем конвекции в единицу времени с единицы поверхности нагретого тела (плотность теплового потока, Вт/м2), можно выразить в виде:

где Т1 - температура нагретого тела; Т2 - температура окружающей среды; ak - коэффициент теплоотдачи при конвекции.

Количество тепла, излучаемое нагретым до температуры Т1 телом в единицу времени с единицы поверхности, определяется по закону Стефана-Больцмана:

где s –постоянная Стефана-Больцмана (постоянная излучения):

s =5,67×10-8 Вт/(м2·К4),

Коэффициент А, характеризующий поглощательную способность тела, для абсолютно черных тел максимален и равен единице (А=1). Для всех других тел (серых) А< 1.

При теплообмене каждое тело не только излучает, но и поглощает излучение окружающих тел. При условии, что поверхность S1 тела с температурой Т1 значительно меньше поверхности S2 окружающих тел с температурой Т2 (при T1>T2, S1<< S2), можно написать

где А – коэффициент, характеризующий поглощательную способность тела с температурой Т1. С другой стороны, можно выразить в виде

,

где - коэффициент теплоотдачи излучением:

(15.1)

Если учесть возможность теплообмена как конвекцией, так и излучением, то полное количество тепла, теряемое телом

(15.2)

где – суммарный коэффициент теплоотдачи,

. (15.3)

Выражение (15.2) справедливо для установившегося стационарного процесса, т. е. когда температуры Т1 и Т2 поддерживаются постоянными.

Описание лабораторной установки

Установка (см. рис. 15.1) состоит из горизонтально расположенной медной трубки (l=102см), внутри которой по оси натянута нихромовая проволока, закрепленная в пробках.

Рис. 15.1

Проволока служит нагревателем - по ней пропускается электрический ток. Медная трубка нагревается и отдает тепло окружающему воздуху.

Для измерения температуры наружной поверхности трубки на ней на разных расстояниях друг от друга укреплены пять термосопротивлений. Реостатом выпрямителя устанавливают определенный ток в цепи. По показаниям микроамперметров следят за изменением температуры на поверхности трубки. По прошествии некоторого времени (20-30 мин.) показания микроамперметров перестанут меняться. Это означает, что количество теплоты, отдаваемое трубкой в воздух, равно количеству тепла, получаемого от нагревателя, т. е. процесс является установившимся. По закону Джоуля-Ленца количество тепла, получаемое трубкой от нагревателя,

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17