222_2203 (810492), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Положение отверстия в кране как правило определяется направлением ручки крана.5. Запустите воздух в установку, медленно открывая кран К2 (показаниястрелочного вакуумметра должны меняться плавно). Для дальнейшей работырекомендуется заранее «нащупать» положение К2, в котором он становитсяоткрыт.Включите в сеть цифровые мультиметры. Установите амперметр в режимизмерения постоянного тока (mA), а вольтметр — постоянного напряжения*Остаточное давление масла, залитого в форвакуумный насос, составляет 5 ⋅ 10−2 торр ≈0,75 мм. масл.
ст.9(mV). На магазине сопротивлений установите значение 1 кОм. Включите источник питания (напряжение источника 2 В не менять!).Проведение измерений6. При атмосферном давлении измерьте зависимость сопротивлениянити = / от подаваемой на неё мощности = (нагрузочную кривую()). Измерения проведите для 7–8 значений тока в диапазоне 10 ÷ 70 мА(ток в цепи изменяется регулировкой магазина сопротивлений).
После каждого изменения тока дождитесь установления теплового равновесия: показания мультиметров должны быть стационарны (флуктуировать вблизи постоянного значения).В дальнейшем по окончании измерений каждой нагрузочной кривой возвращайте значение магазина сопротивления на 1 кОм.7. Экстраполируя полученную в п. 6 зависимость к нулевому значениюмощности, определите сопротивление нити к при комнатной температуре к(расчёты должны быть проведены параллельно с выполнением следующегопункта задания). Пользуясь формулой (11), определите константу 0 (сопротивление при = 0 ℃). Рассчитайте сопротивление max , соответствующеенагреву нити относительно стенок на Δmax = 30 ℃, и при дальнейших измерениях старайтесь не переходить за это значение.8.
Откачайте установку до предельного вакуума. Для этого закройтекраны К1 и К2 (К3 — открыт!) и включите насос. Через 20 секунд работынасоса плавно откройте кран К2, наблюдая за откачкой по стрелочному вакуумметру. Предельное давление (∼ 10−2 торр) достигается при работе насосав течение 15–20 мин.9. Когда предельное давление достигнуто, приведите масляный манометр в рабочее положение, закрыв кран К3. Несколько минут наблюдайте запоказаниями масляного манометра, продолжая откачку. Если уровень маслав опорном колене растёт (происходит десорбция воздуха из масла), откройтекран К3, подождите 2–3 минуты и вновь закройте его.Убедившись, что показания масляного манометра больше не меняются,остановите откачку, плотно закрыв кран К2, затем выключите насос и сразуже соедините его с атмосферой, открыв кран К1.Внимание!После выключения насоса всегда соединяйте его с атмосферойдля предотвращения попадания масла из насоса в установку.10.
Проведите измерения по п. 6 при давлениях воздуха, рассчитанных вп. 2, двигаясь от малых давлений к большим. Особенно тщательно проведитеизмерения при малых давлениях ≲ 1 , чтобы «уловить» смену механизмов10теплопереноса. Убедившись, что нагрузочная кривая при минимальном давлении линейна, в дальнейшем можно ограничиться меньшим количеством точек на нагрузочных кривых до 4–5.Для напуска воздуха очень осторожно приоткрывайте кран К2. При необходимости откачивайте избыточное давление насосом. При давлениях более200 мм масляного столба (~15 торр) уравняйте давления в коленах масляногоманометра, открыв кран К3.
Далее измерения давления проводите толькострелочным вакуумметром.Внимание!Слишком большой перепад давления в системе при закрытом кране К3приведёт к выбросу масла из манометра и выводу установки из строя.11. *Измерьте предельное давление в системе. Для этого предварительнооцените по формуле (5) полное тепловое сопротивление системы при ∼ 10−2 торр, и рассчитайте мощность, необходимую для нагрева нити вэтих условиях на Δ ∼ 30 ℃. Откачайте установку до предельного вакуума,предварительно убедившись, что ток через нить отсутствует. Измерьте нагрузочную кривую, постепенно увеличивая мощность до рассчитанного значения (будьте осторожны: даже при небольшой мощности нить может сильноперегреться).12. После завершения измерений выключите блок питания и цифровыемультиметры; на магазине сопротивления установите сопротивление 1 кОм.Если в установке есть воздух, откачайте её (установка должна быть законсервирована «под вакуумом»).
После откачки закройте кран К2, отключите насоси соедините его с атмосферой краном К1. Сообщите лаборанту об окончанииработы.Обработка результатов измерений13. Для каждого давления постройте графики зависимости температуры нити от мощности н (). Убедитесь в линейности полученных зависимостей. Проведите наилучшие прямые и определите точки их пересечения сосью ординат н (0) (они соответствуют температуре внутренней стенкиколбы) и угловые коэффициенты = н (тепловое сопротивление). Оценитепогрешности найденных значений.Обратите внимание, что температура внутренней стенки колбы может отличаться от температуры в комнате (почему?).14.
По результатам расчётов предыдущего пункта проанализируйте зависимость теплового сопротивления системы от давления . Постройте*Необязательный пункт. Выполняется по указанию преподавателя.11график () в логарифмическом масштабе по оси абсцисс и убедитесь в существовании области, где теплопередача не зависит от давления ( = const),и области резкого возрастания теплового сопротивления ∝ 1/. По графику определите коэффициент теплопроводности воздуха .
Сравните результат с табличным и с оценкой по формуле (4).Постройте график в координатах (1/). Проверьте, является ли эта зависимость линейной. С чем могут быть связаны отклонения? Постройтенаилучшую прямую и определите коэффициенты и ∞ в уравнении (10). Позначению наклона рассчитайте коэффициент аккомодации . Оцените погрешности результатов.15. *По результатам измерения по п. 10 оцените предельное давление вустановке пр . Учтите, что при давлениях менее 0,1 торр становится значимым вклад излучения (см. формулу (12)).16.
*Выполните анализ графика (1/) согласно Приложению 1. По результатам уточните значение коэффициента аккомодации , определите числовой множитель в выражении (4') и рассчитайте эффективное сечение рассеяния молекул воздуха друг на друге.Вопросы к сдаче работыСформулируйте закон Фурье и укажите границы его применимости.Что такое длина свободного пробега молекул газа? Какие значения можетпринимать длина свободного пробега в работе?3. Что такое сечение столкновения? По экспериментальному значению коэффициента теплопроводности оцените сечение столкновений молекул воздухадруг на друге.4. Получите приближённое выражение для коэффициента теплопроводностиидеального газа (4).5.
При каких условиях теплопроводность воздуха не зависит от концентрации?Оцените соответствующие давления в условиях настоящей работы.6. Получите выражение для теплового сопротивления разреженного газа (5) вусловиях, когда длина пробега превосходит диаметр колбы.7. Что такое тепловое сопротивление? Нарисуйте эквивалентную электрическую схему теплообмена между колбой и нитью с учётом всех известных ваммеханизмов.8. Какие преимущества даёт четырёхпроводная схема измерения сопротивления? Какие ещё схемы измерения сопротивления возможны?9. Что такое нагрузочные кривые и для чего они используются в термометрии?10. Оцените относительный вклад теплопередачи за счёт излучения в условияхопыта.11. Как учесть влияние остаточного давления в опорном колене масляного манометра? В чём оно проявляется?1.2.*Необязательный пункт.
Выполняется по указанию преподавателя.12Приложение 1Проанализируем подробнее уравнение (9) (или (9')). Рассмотрим случай,когда длина пробега достаточно велика, но всё же не превосходит радиус нити, = Б ≲ н .Найдём наклон графика (1/) с учётом слагаемого, содержащего лога11рифм.
Выражая из (9') = Δ/ и дифференцируя результат по =, получимБ Б 411=(−).(−1 )н ̅ 1 + /нВоспользуемся выражением для коэффициента теплопроводности газов (4) вследующем виде:̅ (4′ )=,где — коэффициент порядка единицы*. Если ввести, как это сделано при4 записи формулы (10), обозначение = ̅ Б , полученное выше выраже нние можно переписать в следующем виде: 1= (1 −)−1( )4 1 + (13)нОтсюда видно, что на участке графика (1/), где длина свободного пробега недостаточно велика, ≲ н , наклон графика может довольно существенно отличаться от такового в пределе → 0. В частности, на начальномучастке графика (при ≪ н ) наклон равен′ ≈ (1 − ),41Как правило, в учебниках по общей физике приводится выражение(4), в котором =3(и аналогичные выражения для коэффициентов диффузии и вязкости).
Однако на практике опираться на это значение нельзя, поскольку оно получается с использованием довольно грубых теоретических предположений. В частности, даже претендующий на строгость вывод в классическом ученике Д.В. Сивухина, опирается на следующее:молекулы передают энергию друг другу ровно за одно столкновение;длина свободного пробега не зависит от скорости молекулы;средняя энергия частиц, переносимая в заданном направлении, не зависит от скорости частиц (что неверно для поступательной энергии, см., напр., задачу о средней энергии частиц, вылетающих из отверстия)Аккуратный учёт каждого из этих пунктов даёт дополнительный множитель порядка единицы.Сравнение (4) с результатами точных расчётов (см., напр., В.П.
Силин «Введение в кинетическуютеорию газов», §13) и экспериментом показывает, что она даёт оценку, заниженную в 1,5–2,5раза, в зависимости от сорта газа.*13где — наклон, который должен определяться по «дальнему» участку, соответствующему ≫ н .Сравнение наклонов (1/) при высоких и низких давлениях позволяет,в принципе, определить значение числового множителя в формуле коэффициента теплопроводности (4'), а значит, и эффективное сечение рассеяния молекул воздуха друг на друге.22.03.201814.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
