Лабораторные работы по общему курсу физики

Измерения и погрешности измерений
Построение и оформление графиков
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Определение ускорения свободного падения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
МЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕЛ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ КОНВЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ

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,

 Q=IUt,

где I - ток, проходящий по проволоке; U - разность потенциалов на концах проволоки; t - время прохождения тока.

Тогда коэффициент  суммарной теплоотдачи (пренебрегая потоком тепла через торцы трубки) вычисляется по формуле

  (15.4)

Здесь l и d - длина и диаметр трубки соответственно.

Порядок выполнения работы

!!! ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ !!! Запрещается устанавливать силу тока более 1,5 А, т.к. трубка перегреется и установка выйдет из строя. Не касаться открытых контактов на трубке и на выпрямителе.

Включите в сеть выпрямитель и панель с микроамперметрами.

Реостатом выпрямителя установите ток 1,5 А (не более!). Запишите показания вольтметра. Снимать показания микроамперметров можно только через 20-30 минут.

Запишите показания комнатного термометра Т2.

Запишите длину трубки l=102 см. Штангенциркулем измерьте диаметр трубки. Все данные измерений занесите в первую строчку таблицы.

Температуру Т1 поверхности трубки при установившемся процессе определите, как среднее арифметическое из показаний всех микроамперметров (пользуясь таблицей, прибитой к столу).

Установите силу тока 1 А и запишите напряжение. Пока трубка остывает 20-30 минут, для температуры Т1 рассчитайте коэффициенты ,  и  по формулам, соответственно, (15.1), (15.4) и (15.3). Для меди A=0,7.

Заполните первую строчку в таблице.

Аналогично определите коэффициенты ,  и  при силе тока 1 А и 0,5 А (как в пунктах 5-6). Заполните таблицу.

изме-рений

l, м

d, м

I, А

U, В

Т1, °К

Т2, °К

,

Вт / м2×К

,

Вт / м2×К

,

Вт / м2×К

1

2

3

Техника безопасности

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

Контрольные вопросы

Какие процессы передачи тепла исследуются в данной работе?

Какой вид имеет уравнение, соответствующее теплообмену при излучении?

По какой формуле вычисляется коэффициент теплоотдачи излучением?

Какая схема нагрева используется в данной работе?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. школа, 1998, с. 370.

Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики, М.: Высш.школа, 2000, с. 482.