Фізична основа роботи з вимірювачем



В основу роботи вимірювача покладено порівняльний метод динамічного -калориметра з тепломіром і адіабатичною оболонкою. Теоретичне обґрунтування методу викладено в літературі [1].

На рис.1 показана теплова схема цього методу. Досліджуваний зразок 1 розмішується всередині металевої ампули 2 і монотонно розігрівається разом з нею за рахунок теплового потоку з нагріваючої основи 4, який безперебійно надходить до ампули через тепломір 3. Тепловий зв’язок ампули 2 і зразка 1 з навколишнім середовищем допускається тільки через тепломір 3, тому відкриті частини поверхні ампули відділені від середовища адіабатичною оболонкою 5.

 

Рис.1. Схема вимірювальної комірки

Кількість теплоти, необхідної для нагрівання деякого тіла на  градусів, дорівнює:

(1)

У випадку неперервної подачі теплоти до тіла необхідно перейти до теплових потоків:

де  – потік тепла, тобто кількість теплоти, яка підводиться за одиницю часу через одиницю площини;

– час, за який підводиться кількість теплоти;

 – площина поверхні, через яку підводиться теплота (у даному випадку це поперечна площина тепломіра).

Поділивши обидві частини рівняння (1) на  і на , отримаємо:

або

Позначимо швидкість нагріву , тоді

Тепловий потік , який проходить через тепломір, розподіляється між зразком 1 та ампулою 2. Тому

(2)

де ,  – питома теплоємність зразка і ампули;

,  – маса зразка і маса ампули;

,  – швидкість нагрівання зразка і ампули відповідно;

 – площа поперечного перерізу тепломіру.

Так як маса ампули не змінюється, можна перейти до повної теплоємності :

(3)

Для тепломіра буде справедливим рівняння Фур’є:

Рис.2. Схема руху теплового потоку

розділивши на  і , і позначивши потік через тепломір , а також враховуючи, що і , отримаємо

При сталій швидкості нагріву тепловий потік не буде залежати від часу

так як > (температура на вході у тепломір більша, ніж на виході), то

Підставимо знайдене співвідношення в (3)

Величина  являється характеристикою даного тепломіра. Позначимо її (вона залежить від температури, див. рис.3).

τ
T
T
t
t
ΔT
ΔT
τ

Рис.3. Залежність температури входу та виходу тепломіру від часу

При малих перепадах температури на тепломірі нахил кривих  буде приблизно однаковий, тому

в останній формулі  – відставання температури, тобто час, який необхідний для підвищення температури зразка і ампули на величину її перепаду на тепломірі. Позначимо ; має розмірність часу:

позначивши , отримаємо:

(4)

Величина  стає зрозумілою, якщо розглянути дослід нагрівання ампули без досліджуваного зразка. У цьому випадку рівняння (2) має вигляд:

Враховуючи введені позначення, отримаємо:

де  – це відставання температури для порожньої ампули.

Величини і «сталі» для цього приладу, які залежать від температури. Перед початком вимірювань необхідно провести градуювання приладу, тобто визначити і  для кожної температури.

 

Принцип роботи

Зразок, який досліджується, поміщається до ампули, яку закривають кришкою. Опускається верхня половина корпусу вимірювальної комірки. Ядро комірки охолоджується до низької температури рідким азотом. Нагрівач підключають до джерела напруги, ядро комірки починає монотонно нагріватися. Під час нагріву за допомогою спеціального нагрівача, який розташований в адіабатній оболонці, підтримуються адіабатичні умови (нульова різниця температур) між ампулою та оболонкою. Для регулювання роботи нагрівача використовують термопари в ампулі та оболонці. У досліді у процесі постійного розігріву при різних температурах з допомогою приладу В7-21 і секундоміра вимірюється часове відставання температури ампули відносно температури основи.

Блок живлення і регулювання забезпечує нагрівання ядра вимірювальної комірки зі швидкістю – 0,1 К/с і автоматичне регулювання температури охоронної оболонки .

Швидкість розігріву визначається величиною початкової напруги на нагрівачі та швидкістю її зміни. Обидві ці величини чітко фіксовані.

                                                                                                              

Опис проведення вимірювань

На ИТ-С-400

При вмиканні живлення, напруга 220 В подається на автотрансформатор Тр1 і на двигун М1. Вольтметром ИП1 фіксується напруга, встановлена на Тр1. Повернення двигуна автотрансформатора до початкового положення відбудеться за допомогою рук за рахунок обертання рукоятки проти годинникової стрілки. При цьому необхідно відтягнути рукоятку на себе, щоб розчепити зубчастий привід.

Електровимірювальна схема має потенціометр (міст R4–R33), термопари ТП1–ТП4. Потенціометр розрахований на знаходження значення термо-ЕРС, які співпадають з фіксованими рівнями температур від –125 до +400 через 25 .

Для компенсації зміни температури в плече містка ввімкнений мідний опір R6. Потенціометр живиться від стабілізованого джерела ИПС3-0,2.

Перемикач термопар В1 має три положення , , УСТ.0. У положеннях , вимірюється температура основи зразка. У положенні УСТ.0 перевіряється нуль приладу В7-21.

Автоматичний регулятор температури зібраний на базі підсилювача У1-0,1. Сигнал диференційної термопари ТП3, ТП4 подається на вхід підсилювача і в залежності від знака розбалансу змушує обертатись в ту чи іншу сторону кулачок, який міститься на осі двигуна М2, при цьому вмикається чи вимикається контакт перемикача В4. При вмиканні контакту напруга подається на нагрівач Е1 адіабатичної оболонки.

Підготовка до роботи

1. З’єднати блоки і прилади вимірювача кабелями.

2. Переведіть перемикач «СЕТЬ», «НАГРЕВ» у положення «ВЫКЛ».

3. Встановити:

- перемикач «ИЗМЕРЕНИЕ» у положення УСТ.0.;

- перемикач «ТЕМПЕРАТУРА» у положення 25 .

4. Ввімкніть вхідні штекери приладу В7-21.

5. Знайдіть масу зразка з точністю до ±0,001г.

6. Підніміть верхню частину вимірювальної комірки.

7. Протріть бензином та нанесіть тонкий шар змазки на контактні поверхні зразка, ампули і кришки.

8. В ампулу встановити зразок, який досліджується і зачинити кришкою. При дослідженні речовин чи рідин підготуйте ампулу за допомогою рис.4.

9. Опустіть верхню частину вимірювальної комірки.

10. Ввімкніть блок живлення і регулювання натиском «СЕТЬ».

10
9.9
14.7
14.9

Рис.4. Геометричні розміри ампули

 

Порядок виконання роботи

1. Встановити початкову напругу 40±2В.

2. Встановити перемикач «ИЗМЕРЕНИЕ» у положення , ввімкнути секундомір при досягненні температури 25 (показники вольтметра В7-21: 0,000 V).

3. Перевести перемикач «ИЗМЕРЕНИЕ» у положення , вимкнути секундомір при досягненні температури 25 (коли на вольтметрі будуть всі "0") і занести дані в таблицю.

4. Повторювати вимірювання  при усіх значеннях температур.

5. Відключити нагрівач при досліді бажаного рівня температури.

6. Вимкніть прилад В7-21.

7. Провести розрахунок питомої теплоємності за формулою (4).

 

Градуювання вимірювача

Градуювання в експериментальному означенні теплової провідності тепломіра . Для цього зробіть п’ять експериментів з мідним зразком і стільки ж із порожньою ампулою п.4,5.

де – повна теплоємність мідного зразка в Дж/К;

– середнє значення часу відставання на тепломірі в експериментах мідним зразком;

– середнє значення часу відставання на тепломірі в експериментах з порожньою ампулою.

Повна теплоємність мідного зразка:

де  – табличне значення питомої теплоємності міді (таблиця 1);

 – маса мідного зразка.

Розраховані значення ,  заносяться в таблицю і використовуються при градуюванні (один раз на три місяці). Відхилення і не повинне збільшувати 3 %, інакше проводять градуювання вимірювача.

Таблиця 1.Таблиця значень питомої теплоємності міді

, Дж/кг×К , Дж/кг×К
– 100 345 175 405
– 75 358 200 408
– 50 365 225 410
– 25 373 250 412
0 376 275 415
25 385 300 417
50 392 325 420
75 396 350 422
100 400 375 423
125 403 400 425
150 405    

 

Контрольні запитання

1. Що таке теплоємність?

2. Що таке питома теплоємність?

3. Записати та пояснити рівняння Фур’є.

4. Як у роботі вимірюються теплові потоки?

5. Як працює і яку роль виконує адіабатична оболонка?

6. Які елементи схеми приладу забезпечують монотонність нагріву?

 

Література

1. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. – М.:Энергия, 1973.

2. Сергеев О.А. Метерологические основы теплофизических измерений. – М.: Издательство стандартов, 1972.


Лабораторна робота №3


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 669;