В системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, температура Т во всех точках системы одинакова. При отклонении температуры от равновесного значения в некоторой области возникает движение тепла в таком направлении, чтобы сделать температуру во всех точках системы одинаковой, то есть вернуть систему в состояние термодинамического равновесия. Связанный с этим движением перенос теплоты называется теплопроводностью.
В одномерном случае, когда тепло переносится в одном направлении, дифференциальное уравнение теплопроводности имеет следующий вид
(1)
Где поток теплоты - количество теплоты, переносимое в ед. времени через единичную площадку, нормальную к направлению потока, -градиент температуры, - коэффициент теплопроводности. Знак “-“ поставлен перед уравнением, чтобы подчеркнуть, что теплота течет в сторону понижения температуры.
Для определения коэффициента теплопроводности резины в настоящей работе используется толстостенная резиновая трубка, внешний радиус которой , внутренний . Рабочая длина трубки .
|
|
|
(2)
При установившемся режиме это количество тепла не зависит от радиуса цилиндра . Поэтому дальнейшие вычисления будем вести, полагая постоянным, не зависящим от радиуса .
Разделяя переменные в уравнении (2) и интегрируя в пределах измерения переменных и , получаем
,
Откуда
(3)
Описание эксперимента.
Входящий в (3) ежесекундный поток тепла через трубку меняется по мере нагрева внешней поверхности трубки. Его определение можно осуществлять следующим образом. Резиновая трубка закрепляется в калориметре, заполненном водой. По трубке пропускается пар из парообразователя. Температура внутренней поверхности трубки .Вследствие теплообмена все тепло, прошедшее через трубку, передается калориметру и температура воды в нем повышается. Скорость повышения температуры калориметра можно определить, фиксируя измерение его температуры с течением времени.
Считая, что переданное за время количество тепла полностью расходуется на нагрев калориметра, то есть равно , можно записать или
(4)
Подставив (4) в (3), получим
|
|
(5)
Все величины, входящие в формулу (5), могут быть измерены, кроме величины . Непосредственное измерение внутреннего радиуса трубки не имеет смысла, так как при нагревании резина деформируется и в разных частях трубки радиус может быть разным. Среднее значение радиуса можно определить из следующих соображений: объем стенок трубки , с другой стороны, если - масса трубки, а - плотность резины, то . Сравнивая эти выражения, получаем и рабочая формула для определения принимает вид:
(5а)
Здесь - температура воды в калориметре, при которой измеряется скорость . Остальные величины описаны в тексте.
Порядок проведения эксперимента.
1.Измерить длину трубки , внешний диаметр трубки и взвесить трубку на точных технических весах.
2.Взвесить корпус калориметра и мешалку. Взвесить крышку калориметра. (Корпус и крышка калориметра сделаны из разных материалов: корпус выполнен из алюминия, крышка из железа).
3.Укрепить резиновую трубку в калориметре. Мерным стаканом наполнить калориметр водой настолько, чтобы вся трубка была погружена в воду. Записать массу воды, залитой Вами в калориметр.
4.Вычислить теплоемкость калориметра . Здесь -масса крышки, - масса корпуса и мешалки, -масса воды в калориметре, - удельные теплоемкости железа, алюминия и воды соответственно.
5.Когда пар начнет интенсивно выходить из отверстия парообразователя, соедините трубку, подающую пар, с резиновой трубкой, и непрерывно перемешивая воду мешалкой, приступайте к измерению температуры воды в калориметре термометром, вставленным в крышку калориметра.
6.Показания термометра записываются через каждую минуту, пока температура воды в калориметре не станет на 15-20 градусов выше комнатной. После этого включить парообразователь.
Результаты измерения температуры наносят на график, где по оси абсцисс откладывается время, по оси ординат- температура. Скорость возрастания температуры определяется по тангенсу угла наклона касательной к получившейся кривой, к оси абсцисс. Лучше всего скорость возрастания температуры определить в момент, когда температура воды в калориметре совпадает с температурой воздуха в помещении, так как при этом отсутствует теплообмен между калориметром и воздухом.
Результаты измерений подставляются в рабочую формулу и вычисляется коэффициент теплопроводности .
Обработка результатов.
Оценка точности определения коэффициента теплопроводности проводится по общепринятой методике. Пользуясь выражением (5а) запишите формулу для вычисления погрешности. Обратите внимание на то, что точность измерения всех величин, входящих в эту формулу, кроме , определяется точностью приборов, с помощью которых Вы проводили измерения. Измерение величины нужно проводить тщательно штангенциркулем в разных сечениях трубки.
Для работы необходимо: описанный выше прибор, технические весы, штангенциркуль, термометр, секундомер.
Лабораторная работа №8