Лабораторная установка и метод измерений

Экспериментальная установка схематически изображена на рисунке 2.

Исследуемый образец 2, толщиной х помещается между поверхностью электроплитки (1) и внутренним сосудом калориметра с водой 3 в теплоизолирующем кожухе. Температура поверхности электроплитки Т_n, измеряемая термометром 5, поддерживается постоянной с помощью терморегулятора. Температура внутреннего сосуда калориметра с водой Т регистрируется терморезистором 4.

Пренебрегая теплоотдачей, энергию, полученную калориметром с водой вследствие теплопроводности образца, можно определить по формуле

, (2)

где с₁, с₂, m₁, m₂ – соответственно удельные теплоемкости и массы калориметра и воды, Дж/(кг К), кг;

с₃ m₃ – теплоемкость терморезистора 4, Дж/К.

Рисунок 2

Сравнивая уравнения (1) и (2), получаем

откуда

(3)

Если температура калориметра с водой за время изменялась от Т₀ до Т, то значение теплопроводности получаем интегрированием уравнения (3)

или

отсюда

(4)

где К – теплопроводность образца, Вт/(мК);

Т – температура калориметра с водой через секунд после начала опыта К.

Описание принципа действия терморегулятора и терморезистора даются в приложениях 1 и 2.

Порядок выполнения работы:

1) снимают с электроплитки исследуемый образец и внутренний сосуд калориметра;

2) включают в сеть электроплитку (тумблер SA1) и терморегулятор (тумблер SA3). Тумблер SA2 ставят в положение 1;

3) массу внутреннего сосуда калориметра m₁ определяют взвешиванием на технических весах;

4) наливают воду во внутренний калориметр до метки и определяют ее массу m₂;

5) толщину и площадь образца измеряют с помощью штангенциркуля;

6) помещают образец на электроплитку;

7) когда на поверхности электроплитки установится постоянная температура Т_n (при этом показание термометра 5 должно оставаться неизменным), записывают ее в таблицу;

8) устанавливают калориметр с водой на исследуемый образец и опускают в воду терморезистор 4;

9) замечают время и определяют с помощью терморезистора 4 начальную температуру Т₀ воды и калориметра. Для этого, переключив тумблер SA2 в положение 2 записывают показания микроамперметра и по графику определяют температуру Т₀;

10) затем, через 10, 20, 30, 40 минут, измеряют температуру Т воды и калориметра с помощью терморезистора (см. п.9);

11) теплопроводность образца К для 4-х интервалов вычисляют по формуле

где С₁=0,896 кДж/кг^.К и С₂=4,19 кДж/кг^.К – удельные теплоемкости соответственно калориметра и воды; С₃m₃=8,7 Дж/К – теплоемкость терморезистора 4;

12) точность измерений оценивают по отклонению среднего значения К от результатов отдельных измерений с учетом коэффициентов Стьюдента;

13) результаты измерений и вычислений записывают в таблицу;

Таблица 1

№

х, мм

m1, кг

m2, кг

Тn K

I0 мкА

T0, K

r c

I, мкА

Т К

К Вт/ (мк)

Вт2/(мк)2

Вт/(мк)

Вт/ (мк)

ср

Вывод

14) составляют отчет по установленной схеме;

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Терморегулятор в данной работе поддерживает постоянную температуру на поверхности электроплитки. В его конструкции используется стеклянный ртутный электроконтактный термометр типа ТПК, принцип работы которого основан на изменении объема термометрической жидкости в зависимости от температуры измеряемой жидкости в зависимости от температуры измеряемой среды, и на способности ртути служить проводником электрического тока при замыкании контактов (вольфрамовая нить – ртуть).

Настройка термометра на требуемую температуру контактирования производится с помощью магнитного приспособления, вращая которое можно поднимать или опускать конец вольфрамовой нити в капилляре термометра, устанавливая его на отметке заданной температуры контактирования.

В схеме терморегулятора, изображенной на рисунок 3, можно выделить две электрические цепи, I и II.

Рисунок 3

Первая цепь, состоящая из реле Р, выпрямителя на диодах UZ, понижающего трансформатора TV, контактов термометра (терморегулятора). Вторая цепь состоит из электроплитки ЕК, источника переменного тока на 220 В и двух тиристоров VS1 и VS2.

Резервуар электроконтактного термометра соприкасается с поверхностью ЕК. Если температура ЕК ниже температуры, установленной на контактах SK термометра, они разомкнуты. При этом выключатель SF замкнут, тиристоры VS1 и VS2 открыты, цепь ЕК замкнута, электроплитка и термометр нагреваются.

Когда ртуть в капилляре термометра коснется конца вольфрамовой нити, установленного на заданной температуре, сбрасывает реле Р, контакты SF размыкаются, тиристоры VS1 и VS2 запираются, цепь электроплитки размыкается, ее температура понижается.

Таким образом, на поверхности электроплитки поддерживается постоянная температура, установленная на электроконтактном термометре.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Термометр на терморезисторе ТНГ – М состоит из датчика RK, измерительного моста и микрометра.

Измерительный мост собран по схеме, изображенной на рисунок 4.

R1, R2, R3 – сопротивления;

RK – терморезистор КМГ-14, рабочее тело которого состоит из смеси окислов марганца и кобальта.

Рисунок 4

В одну диагональ моста подключается микроамперметр, во вторую – источник постоянного тока.

Датчик RK помещается в объект, температуру которого необходимо измерить.

Измерение сопротивления RK вызовет изменение тока в диагонали моста, регистрируемые микроамперметром.

Контрольные вопросы

1 Какова цель работы?

2 Физический смысл величин, используемых в процессе работы.

3 Какие физические законы и явления используются при выполнении работы?

4 Какой метод применяется для решения постановленной задачи?

5 Вывод расчетной формулы.

6 Как оценивается погрешность измерений и вычислений?

Лабораторная работа № 23 Измерение вязкости воздуха

Цель работы: изучение измерения вязкости воздуха с использованием молекулярно - кинетической теории газа.