- •Определение отношения методом звуковых стоячих волн
- •Краткие сведения из теории
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение отношения теплоемкости газа при постоянном давлении к его теплоемкости при постоянном объеме по адиабатному расширению газа
- •Краткие сведения из теории
- •Описание экспериментальной установки и вывод рабочей формулы
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы и задания
- •Определение отношения молярных теплоемкостей газа
- •Краткие сведения из теории
- •Описание экспериментальной установки и вывод рабочей формулы
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы и задания
- •Определение коэффициента вязкости жидкости
- •Краткие сведения из теории
- •Порядок выполнения работы
- •Определение размеров шариков
- •Определение установившейся скорости движения и коэффициента вязкости
- •Обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы и задания
- •Определение теплопроводности воздуха
- •Описание экспериментальной установки и метода изучения процесса
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара
- •Описание установки и метода изучения процесса
- •Описание экспериментальной установки
- •Конкретные задания
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента вязкости воздуха капиллярным методом
- •Краткие сведения из теории
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы и задания
- •Определение молекулярной газовой постоянной методом откачки
- •Краткие сведения из теории
- •Описание установки и метода изучения процесса
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Литература
- •Механика и молекулярная физика
- •190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1
Контрольные вопросы и задания
Как молекулярно-кинетическая теория объясняет природу внутреннего трения?
Напишите динамическое уравнение движения тела в вязкой среде.
Какой физический смысл коэффициента вязкости жидкости? Единицы измерения коэффициента вязкости.
От каких параметров зависит коэффициент вязкости жидкости?
Литература: [1, § 78, 79, 92]; [3, § 86, 89] ;[4, § 10.6-10.8 ]; [5].
Лабораторная работа № 14
Определение теплопроводности воздуха
Цель работы – изучение процесса теплопередачи и определение теплопроводности воздуха.
Приборы и принадлежности: установка ФПТ1-3.
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 ; сV – 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 Т1, R1 и T2, R2 – 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 – коэффициент теплопроводности; q – тепловой поток через поверхность S; D – внутренний диаметр трубки; d – диаметр нити, L – длина нити; ΔT – разность температур нити и трубки.
В установке ФТП1-3 тепловой поток создается путем нагрева нити постоянным током и определяется по формуле:
, (14.2)
где UН – падение напряжения на нити, UР – падение напряжения на эталонном резисторе, RР – сопротивление эталонного резистора (RР = 41 Ом).
Разность температур нити и трубки: ΔТ = ТН – ТТ, где ТН – температура нити; ТТ – 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 UH – падение напряжения на нити в нагретом состоянии; – падение напряжения на нити при температуре окружающего воздуха (при рабочем токе не более 10 мА); UР – 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.