Обробка результатів експерименту і їх аналіз

1. За формулою (4) обчислити значення коефіцієнта в’язкості досліджуваної рідини за даними вимірювань для кожної кульки окремо.

2. Знайти середню абсолютну і відносну похибки визначення коефіцієнта в’язкості і записати кінцевий результат:

Контрольні запитання

1. Явища переносу. Молекулярно-кінетичний механізм явищ переносу.

2. Закони Фіка, Фур’є і Ньютона.

3. Коефіцієнти явищ переносу і їх фізичний зміст.

4. Зв’язки між коефіцієнтами дифузії, в’язкості і теплопровідності.

5. Експериментальні методи визначення коефіцієнта в’язкості.

7. Вияснити основні джерела похибки у даній роботі.

Лабораторна робота № 7.4
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ МЕТАЛІВ

Мета роботи: визначити коефіцієнт теплопровідності міді.

Прилади та матеріали: прилад для визначення коефіцієнта теплопровідності; термометри (4 шт.); секундомір, балон для зливання води; мензурка; штангенциркуль.

Теоретичні відомості

Метод визначення коефіцієнта теплопровідності металів, що застосовується в цій роботі, ґрунтується на вимірюванні кількості теплоти Q Дж/с, що проходить за одиницю часу через поперечний переріз S металевого (мідного) стержня.

Як відомо, цей тепловий потік за законом Фур'є визначається за формулою

Q=кSgradT, (1)

де к — коефіцієнт теплопровідності;

— градієнт температури, К/м.

З формули (1) випливає, що коефіцієнт теплопровідності дорівнює:

Він чисельно дорівнює кількості теплоти, що переноситься через одиницю площі (1 м²) поперечного перерізу зразка за одиницю часу (1 с) при спаді температури на 1°С на одиниці шляху (1 м) теплового потоку, тобто к = Вт/м×К

Постійність градієнта температури вздовж зразка забезпечується нагріванням одного з його кінців в електричній печі і охолодженням іншого його кінця проточною водою, що має постійну температуру t₁°C.

З іншого боку, кількість теплоти, що проходить через зразок і передається воді за одиницю часу, може бути знайдена з рівняння теплового балансу:

, (2)

де с — питома теплоємність води, Дж/кг×К;

m — маса води, що протікає через холодильник за 1 с, кг;

t° — температура, до якої нагрівається вода, що оточує холодний кінець зразка.

Прирівнюючи праві частини рівнянь (1) і (2), одержуємо такий вираз для коефіцієнта теплопровідності:

, (3)

Враховуючи особливості конструкції установки, що застосовується в роботі (рис.7.4.1) формулу (3) можна перетворити відносно до виду вимірюваних величин.

Установка для визначення теплопровідності складається з мідного стержня 3, що має площу поперечного перерізу S=70,0×10^-6 м², електричного нагрівника 5, водяного холодильника 2, гнізд для термометрів 4, посудини 1 з охолодженою водою і мензурки 6.

Градієнт температури можна записати через різницю показів термометрів t₃ і t₄ і відстань l між ними:

. (4)

Рис. 7.4.1.

Масу води, що протікає через холодильник за одиницю часу, виразимо через її об'єм і густину:

, (5)

де r — густина води;

V — об'єм води, що витікає за час t.

Підставляючи формули (4) і (5) в (3), одержуємо кінцевий вираз для розрахунку коефіцієнта теплопровідності міді, з якої виготовлено зразок, то досліджується:

. (6)

Хід роботи

1. Штангенциркулем виміряти відстань l між термометрами t₃ і t₄, а також записати значення площі поперечного перерізу мідного стержня S (наводиться в інструкції до установки) і увімкнути нагрівач.

2. Після достатнього прогрівання стержня відкрити кран і повільно пропускати воду через холодильник. Потік охолоджувальної води регулюють таким чином, щоб досягти максимальної різниці температур, що реєструються термометрами t₃ і t₄.

3. Після встановлення стаціонарного режиму теплопередачі, якому відповідає сталість показань всіх термометрів, вимірюють температури t₁, t₂, t₃ і t₄.

4. При такому установленому потокові охолоджувальної води секундоміром заміряють час t, протягом якого в мензурці 6 збирається деякий її об'єм (наприклад, 100 см³).

5. З таблиць знаходять теплоємність води с і її густину r при температурних умовах досліду.

6. Результати вимірювань записують в таблицю.