Перенос тепла излучением

Тепловое излучение поверхности нагретой нити является также дополнительным механизмом переноса тепла, который может быть учтен введением соответствующей поправки. Плотность теплового потока, возникающего вследствие излучения, определяется формулой Стефана-Больцмана:

, (11)

в которой - степень черноты поверхности никелевой проволоки, равная 0,44; - постоянная Стефана-Больцмана; и - абсолютные температуры поверхностей нити и трубки соответственно, S – площадь поверхности рабочего участка нити, определяемая по формуле:

С учетом поправки (11) формула (10) преобразуется к виду:

. (12)

Как следует из формулы (11), величина поправки на излучение быстро растет с увеличением температуры нити. Относительный вклад поправки на излучение можно определить, сравнивая мощность излучения с полной электрической мощностью, выделяемой на рабочем участке нити:

. (13)

Описание установки

Рабочий участок установки показан на рис. 2.

Никелевая проволока диаметром расположена по оси вертикальной стеклянной трубки внутренним диаметром , заполненной воздухом. Внешняя стеклянная трубка диаметром D образует кожух для воды. Тепловой поток, идущий через воздух от нагретой проволоки, нагревает прилегающие к внутренней трубке слои воды. Вследствие теплового расширения плотность этих слоев воды уменьшается. Разность плотностей вызывает движение – циркуляцию жидкости и непрерывное обновление слоев, прилегающих к трубке. Из-за большой теплоемкости и значительного объема воды изменение ее температуры в течение опыта незначительно, поэтому можно считать, что температура внутренней стеклянной трубки () равна температуре воды, т.е. комнатной температуре, которая определяется по термометру в лаборатории. Проволока ориентирована по оси трубки с помощью втулок. Рабочий участок схемы имеет два токоподвода и три потенциальных вывода, которые позволяют произвести измерение падений напряжения и на двух участках проволоки.

Подключение вольтметра осуществляется с помощью тумблера Тум. Ток в цепи проволоки рассчитывается по закону Ома:

, (14)

где измеряется вольтметром , указано на плате установки.

Сопротивление R служит для ограничения тока в цепи питания проволоки. Сопротивления участков проволоки и также рассчитываются по закону Ома для участка цепи:

; , (15)

где и измеряются вольтметром , I – ток в цепи проволоки, рассчитанный по формуле (14).

Температура проволоки определяется по ее сопротивлению. При этом рассматривается центральный участок проволоки с сопротивлением:

, (16)

которое зависит от температуры, по формуле:

и, следовательно,

. (17)

Здесь - температурный коэффициент сопротивления никеля, - сопротивление исследуемого участка нити при комнатной температуре определяется экстраполяцией, т.е. продолжением графика в точку .