Теория эксперимента

В данной работе требуется определить коэффициент теплопро­водности газа, заключённого между нитью (нагреваемой постоянным током) и тонкой трубкой, при различных температурах газа. Для это­го необходимо определить температуру нити, температуру стен­ки трубки и тепловую мощность, отдаваемую нитью при устано­вившемся температурном режиме. Температуру трубки в начале ра­боты рекомендуется установить равной 30˚С и менять в процессе работы ступенчато с шагом в 10˚С до 70˚С.

Определения температуры нити. Нить является термометром сопротивления, который необходимо проградуировать, пропуская че­рез нить минимальный ток, позволяющий косвенно измерить её со­противление, и, вместе с тем, практически не меняющий её темпера­туру. Минимальному току через нить соответствует крайнее положе­ние переключателя «П» (рис. 3б) при его вращении против часовой стрелки.

Градуировка проводится параллельно с основными измерениями путем измерения падения напряжения на двух эталонных сопротивлениях R_эк и R_эн при минимальном токе, идущем через нить. Эти измерения проводятся для различных температур начиная от 30°С до 70°С с шагом 10°С.

По полученным значениям напряжений, известным значениям со­противлений, вычисляется сопротивление нити:

R_н = (U_эк /U_эн)·R₀·R_эн /R_эк (9)

и строится зависимость сопротивления от температуры. По этому графику в дальнейшем определяется температура нити при различных токах.

Температура стенки трубки принимается равной температуре воды в термостате.

Тепловая мощность, отдаваемая нитью вычисляется косвенно из законов Ома и Джоуля-Ленца

Q = I²·R_н= (U_эн/R_эн)² ·R_н (10)

Выполнение работы

1. Установите температуру термостата равной 30˚С. Когда температурный режим установится, произведите точную балансировку моста с помощью резистора R. Подтверждением того, что температурный режим установился, является сохранение сбалансированности моста в течение 1-2 минут. По окончании ба­лансировки моста тумблер «Т» переводится в другое положение, при этом вольтметр покажет падение напряжения U_эк на контрольном эталонном сопротивлении R_эк, а при нажатии и удержании кнопки «K» – падение напряжения U_эн на эталонном сопротивлении R_эн в цепи нити. Изме­ренные значения напряжений следует записать в таблицу.

2. Измерьте падение напряжения на эталонных сопротивлениях R_эн и R_эк для всех токовых режимов нити при постоянной температуре термостата. Перед измерениями на каждом вновь установленном токовом режиме обязательно проводите точную балансировку моста резистором R. Результаты занесите в таблицу.

Таблица

Температура воды в термостате	Номер измерения (положение ручки переключателя П)	Напряжение на Rэк	Напряжение на Rэн	Сопротивление нити	Температура нити	Разность температур нити и стенки	Мощность, выделяемая на нити	Теплопроводность	Абсолютная погрешность измерений теплопроводности	Относительная погрешность измерений теплопроводности
t2	№	Uэк	Uэн	Rн	t1	t	Q		Δ	Δ/
˚C		В	В	Ом	˚С	˚С	Вт	Вт/(м·К)	Вт/(м·К)	%
30	1
30	2
30	3
30	4
30	5
30	6
40	1
40	2
40	3
40	4
40	5
40	6
50	1
50	2
50	3
50	4
50	5
50	6
60	1
60	2
60	3
60	4
60	5
60	6
70	1

3. Проведите те же измерения при температурах 40, 50 и 60˚С для 6 токовых режимов.

4. Установите температуру термостата равной 70˚С и измерьте па­дение напряжения на эталонных сопротивлениях только при ми­нимальном токе. (Для градуировки термометра сопротивления).

5. Из формул (9) и (10) рассчитайте сопротивление нити и тепловую мощность, отдаваемую нитью, при различных температурах и значениях силы тока, проходящей через нить.

6. Постройте график зависимости сопротивления нити от температуры воды в термостате, используя только значения при минимальном токе. Он же будет являться градуировочным графиком. Из этого графика найдите температуру нити как проекцию точек с известным сопротивлением R_н на ось абсцисс.

7. Из формулы (8) найдите теплопроводность для различных температурных и токовых режимов.

8. Построить графики зависимости  от температуры и сравнить с табличными данными. Измеренные значения  следует относить к средней температуре T_ср=(1/2) (Т₁+Т₂). При построении графиков нужно использовать четыре серии измерений, полученные при значениях температуры термостатирования 30, 40, 50 и 60˚С.

9. Из формулы (8) получите формулу для расчета погрешности измерения коэффициента теплопроводности Δ. Оцените погрешность результатов измерений , результаты запишите в таблицу. Сделайте выводы по работе.