Кафедра общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
ФИЗИКА
Определение теплопроводности газов методом нагретой нити
Методические указания к лабораторной работе № 17
для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2016
Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде.
Краткое теоретическое содержание
В работе используются: вертикальная трубка с двойными стенками с натянутой внутри проволокой; магазин сопротивлений; эталонное сопротивление 10 Ом и нагрузочное сопротивление; гальванометр; источник питания; термостат.
Если внутри сосуда с газом существует градиент температур, в газе возникают процессы, приводящие к выравниванию температуры. В обычных условиях среди этих процессов наибольшую роль играет конвекция. Конвекция появляется из-за того, что легкий теплый газ поднимается вверх, а на его место опускаются более холодные массы газа. Конвекция не возникает, если температура газа повышается с высотой, если объем газа невелик или если он разбит на небольшие каналы или ячейки. В последних случаях возникновению конвекционных потоков мешает вязкость. При отсутствии конвекции процесс переноса тепла замедляется, но не прекращается. Он происходит благодаря теплопроводности газа, связанной с тепловым движением молекул. Выравнивание температуры получается при этом из-за непрерывного перемешивания "горячих" и "холодных" молекул, происходящего в процессе их теплового движения и не сопровождающегося макроскопическими перемещениями газа. В данной работе исследуется этот случай.
Для цилиндрически симметричной установки, в которой поток тепла направлен к стенкам цилиндра от нити, расположенной по его оси, справедлива формула:
[1]
Уравнение [1] может служить для определения коэффициента теплопроводности c. При этом нужно знать радиусы нити r, цилиндра r ц, длину цилиндра L, поток тепла Q и разность температур газа у поверхностей нити и цилиндра T r – T ц.
Нить цилиндра нагревается электрическим током. После того как устанавливается стационарный режим, тепловой поток Q становится равен Джоулевому теплу, выделяемому в нити, которое тепло легко рассчитать, зная сопротивление нити и силу протекающего по ней тока. Наибольшую трудность вызывает измерение температуры нагретой нити, по доступной непосредственному измерению.
Экспериментальная установка.
Схема установки представлена на рисунке ниже:
Проволока 5 натянута между упорами 3-4 внутри трубки 2. Трубка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует вода с заданной температурой. Температура стенок трубки поддерживается термостатом 8, который управляется с пульта 8 – управления термостата. Нить нагревается электрическим током, ее температура определяется по изменению электрического сопротивления. Нить 5 включена в схему измерительного моста Уитстона (6), состоящего из магазина сопротивлений в), гальванометра г), нагрузочного б) и эталонного сопротивлений а). Параметры моста подобраны таким образом, что при балансе моста сопротивление магазина сопротивлений в 10 раз больше сопротивления нити. Вся схема подключена к источнику питания Е, параметры которого задаются с пульта 7.
Технические характеристики установки:
- диаметр проволоки (1) 0,1 мм;
- внутренний диаметр цилиндра (5) 8 мм;
- длина проволоки (1) 0,5 м;
- материал проволоки вольфрам;
- коэффициент температурного сопротивления 
- величина R эт 3,5 Ом;
- величина r н 35 Ом.
ЗАДАНИЕ
1. Запустите работу.
2. Снимите при комнатной температуре зависимость сопротивления нити R от протекающего через установку тока I. Провести измерения для 4¸5 минимальных значений напряжения.
Результаты измерений занести в таблицу №1:
| Физ. величина | TR | U | I | R |
| Ед. измерений Номер опыта | К | В | А | Ом |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Постройте график зависимости 
. Продлите график до пересечения с осью ординат, для определения значения сопротивления нити при I = 0. Запишите определенное значение R o - сопротивление проволоки при комнатной температуре.
3. Нажать кнопки «Нагрев» и «Цирк». Для различных температур стенок трубки T R (20°, 40°, 60°, 80°) проведите измерения зависимости сопротивления нити R от протекающего через установку тока I при различных значениях напряжения, от 1 В до 15 В, увеличивая напряжение с шагом 2¸3 вольта. Записывайте в таблицу значения установленного напряжения U, протекающего тока I, сопротивления проволоки R.
4. Для каждого набора значений предыдущего упражнения рассчитать поток тепла, переносимый воздухом с проволоки:
[2]
и температуру поверхности проволоки:
[3]
Используя результаты вычислений по формулам [2] и [3] рассчитать по формуле [1] среднеинтегральные коэффициенты теплопроводности c(T ср),
где 
- среднеарифметическая температура.
5. Постройте график зависимости 
. Сравните полученные значения со справочным.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №2:
| Физ. величина | TR | U | I | R | Q | Tr | Tср | c |
| Ед. измерений Номер опыта | о С | В | А | Ом | Вт | К | К | 
|
| 1 | 20 | 1 3 5 7 9 11 13 15 | ||||||
| 2 | 40 | … | ||||||
| 3 | 60 | … | ||||||
| 4 | 80 | … |
6) рассчитать погрешность косвенных измерений;
7) привести окончательный результат.
библиографический список
учебной литературы
1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.
