Описание экспериментальной установки и метода изучения процесса

 

Установка ФПТ1-3 (см. рис.14.1) представляет собой конструкцию настольного типа, состоящую из следующих основных частей:

1) блока приборного;

2) цифрового термометра;

3) блока рабочего элемента;

4) вольфрамовой нити;

5) стойки;

6) датчика температуры.

Рис. 14.1

На лицевой панели приборного блока находятся органы управления и регулировки установки: «СЕТЬ», «НАПРЯЖЕНИЕ» и «НАГРЕВ». Узел «СЕТЬ» осуществляет подключение установки к сети питающего напряжения. Узел «НАПРЯЖЕНИЕ» осуществляет управление работой цифрового контроллера для измерения напряжения. Узел «НАГРЕВ» осуществляет включение и регулирование нагрева нити.

Блок рабочего элемента представляет собой коробчатый конструктив. Несущими узлами блока являются панель и кронштейн, скрепленные между собой. Между выступающими частями панели в текстолитовых фланцах зажата стеклянная трубка. По оси трубки натянута вольфрамовая нить. Между панелью и кронштейном размещен вентилятор для охлаждения трубки. На панели установлены цифровой контроллер для измерения напряжения (рис. 14.1). Спереди блок рабочего элемента защищен прозрачным экраном.

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относится и теплопроводность, обусловленная переносом энергии: если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т.е. выравнивание температур.

Распространение теплоты в газах происходит тремя способами: тепловым излучением (перенос энергии электромагнитными волнами), конвекцией (перенос энергии за счет перемещения слоев газа в пространстве из областей с более высокой температурой в области с низкой температурой) и теплопроводностью.

Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье (систему отсчета выбрали так, чтобы ось х была ориентирована в направлении переноса):

,

где j – плотность теплового потока (величина, определяемая энергией, переносимой в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х); χ – коэффициент теплопроводности; dT/dx – градиент температур, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке (знак «минус» показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры).

Для идеального газа

где ρ – плотность газа; – средняя длина свободного пробега молекулы; – средняя скорость теплового движения молекул, равная ; с _V – удельная теплоемкость газа при постоянном объёме.

Рассмотрим два коаксиальных цилиндра, пространство между которыми заполнено газом. Если внутренний цилиндр нагревать, а температуру наружного цилиндра поддерживать постоянной, ниже температуры нагревателя, то в кольцевом слое газа возникает радиальный поток теплоты, направленный от внутреннего цилиндра к наружному. При этом температура слоев газа, прилегающих к стенкам цилиндров, равна температуре стенок. Выделим в газе кольцевой слой радиусом r,толщиной dr и длиной L. По закону Фурье тепловой поток q = т.е. количество теплоты, которое проходит через этот слой за одну секунду, можно записать в виде:

или .

Тогда

,

где Т ₁, R ₁и T ₂, R ₂ – соответственно температуры поверхностей и радиусы внутреннего и наружного цилиндров.

Таким образом, процесс теплопередачи путем теплопроводности от нити к окружающей ее цилиндрической поверхности описывается уравнением:

, (14.1)

где χ – коэффициенттеплопроводности; q – тепловой поток через поверхность S; D – внутренний диаметр трубки; d – диаметр нити, L – длина нити; Δ T – разность температур нити и трубки.

В установке ФТП1-3 тепловой поток создается путем нагрева нити постоянным током и определяется по формуле:

, (14.2)

где U _Н – падение напряжения на нити, U _Р – падение напряжения на эталонном резисторе, R _Р – сопротивление эталонного резистора (R _Р = 41 Ом).

Разность температур нити и трубки: Δ Т = Т _Н – Т _Т, где Т _Н – температура нити; Т _Т – температура трубки, равная температуре окружающего воздуха.

Температура трубки в процессе эксперимента принимается постоянной, т.к. поверхность обдувается с помощью вентилятора потоком воздуха. Температура нити тем выше, чем больше протекающий по ней ток.

С повышением температуры меняется сопротивление нити, измеряемое методом сравнения падения напряжений на нити и на эталонном резисторе. Разность температур нити и трубки определяется по формуле:

,

где U _H – падение напряжения на нити в нагретом состоянии; – падение напряжения на нити при температуре окружающего воздуха (при рабочем токе не более 10 мА); U _Р – падение напряжения на эталонном резисторе при нагреве нити; – падение напряжения на эталонном резисторе при температуре окружающего воздуха; α – температурный коэффициент сопротивления; Т – температура воздуха в градусах °С.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Включить тумблер «ВКЛ» в модуле питания «СЕТЬ». При этом загорается сигнальная лампочка.

2. Включить тумблер «ВКЛ» в модуле «НАГРЕВ». При этом загорается сигнальная лампочка.

3. 3. Нажать кнопку U _Р(режим измерения падения напряжения на эталонном резисторе).

4. Установить рукояткой «НАГРЕВ» напряжение не более 0,06 В (негреющий ток).

5. Нажать кнопку U _H(режим измерения падания напряжения на нити) и зарегистрировать показания цифрового индикатора .

= ……, В = ……., В Т = ……., °СТаблица 14.1

U Р, В	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
U Н, В
U Н/ U Р
q, Дж/с
Δ Т, °С
χ, Вт/(м·К)

6. Нажать кнопку U _Р и установить рукояткой «НАГРЕВ» напряжение U _Рравным 0,5 В.

7. Выждать минуту для стабилизации теплового режима и определить падение напряжения на нити U _Hнажатием кнопки U _H.

8. Полученный результат записать в таблицу.

9. Повторить пункты 6 - 8 для величин U _Рв диапазоне 1,0 – 6,0 В с шагом 1 В.

10. После измерения вывести ручку «НАГРЕВ» в крайнее левое положение.