Materiały i metody:
Do wykonania tego ćwiczenia posłużył nam układ pomiarowy sporządzony według poniższego schematu: Składa się z on piecyka zasilanego prądem zmiennym - K, metalowego pręta (izolowanego przed niepowołaną utratą ciepła) o średnicy 7,88mm - P, termosu wypełnionego wodą z lodem - W oraz dziewięciu termopar rozmieszczonych w piecyku oraz na pręcie co 5 cm - T1 - T9 (jedna z termopar nie działa). Taki układ wykorzystano w pierwszym punkcie ćwiczenia. Dzięki temu wyznaczono współczynnik przewodnictwa cieplnego metalu.
Do wykonania drugiej części ćwiczenia związanego z parowaniem oraz promieniowaniem posłużyła nam lampka, galwanometr, dwie termopary, dwie białe i dwie czarne papierowe kartki oraz kawałek waty.
Do zbadania zjawiska rozszerzalności liniowej metalu wykorzystano termometr bimetaliczny.
Wszelkich obliczeń dokonano za pomocą programu Microsoft Excel.
Rezultaty:
Temperatura [°C] |
T1 |
T2 |
T3 |
T4 |
T5 |
T6 |
T8 |
T9 |
Seria I |
32 |
28 |
26 |
23 |
21 |
19 |
15 |
13 |
Seria II |
39 |
35 |
31 |
28 |
25 |
23 |
17 |
15 |
Seria III |
41 |
37 |
33 |
30 |
27 |
24 |
19 |
15 |
Seria IV |
41 |
37 |
33 |
30 |
27 |
24 |
19 |
15 |
Tab.1 Wyniki pomiarów temperatury na termoparach przeprowadzonych w 4 seriach
(Uwaga - termopara 7 nie działała)
Wielkość |
Napięcie zasilające piecyk |
Napięcie zasilające piecyk z prętem |
Opór elektryczny grzałki piecyka |
Symbol [jednostka] |
U0 [V] |
U1 [V] |
R [Ω] |
Wartość |
4 |
4,5 |
8,5 |
Tab.2 Wyniki pomiaru napięcia i oporności grzałki
Wykres przedstawiający zależność temperatury od termopary
Termopary rozmieszczone były na pręcie co 5 cm. Jak wskazuje na to powyższy wykres, im dalej leży termopara, tym niższa temperatura. Oznacza to, że zależność ta jest liniowa. Na pierwszej termoparze jest największa temperatura i wraz z kolejnymi termoparami temperatura maleje.
Temperatura [°C] |
Temperatura [K] |
41 |
314 |
37 |
310 |
33 |
306 |
30 |
303 |
27 |
300 |
24 |
297 |
19 |
292 |
15 |
288 |
Tab. 3 Zamiana stopni Celsjusza na Kelwiny
Wzór na obliczenie współczynnika przewodnictwa cieplnego:
gdzie:
U1 - napięcie zasilające piecyk z prętem [V]
U0 - napięcie zasilające piecyk [V]
x- odległość termopar Tn - T1 [m]
r - promień pręta [m]
R - opór grzałki [Ω]
Tn - temperatura termopar [K]
termopara |
odległość |
|| |
1 |
0 |
|
2 |
0,05 |
128,1556333 |
3 |
0,1 |
128,1556333 |
4 |
0,15 |
139,8061454 |
5 |
0,2 |
146,4635809 |
6 |
0,25 |
150,7713333 |
8 |
0,35 |
163,1071696 |
9 |
0,4 |
157,7300102 |
|
|
|
|
Śr || |
144,8842151 |
|
|
|
|
odch. st. |
13,66089779 |
Tab. 4 Obliczenia współczynnika przewodnictwa cieplnego metalu - ||
Wyprowadzenie jednostki współczynnika przewodnictwa cieplnego:
W drugiej części ćwiczenia mierzono różnicę potencjałów w różnych sytuacjach. Tą część zaczęto od wykonania testu. Przy dotknięciu końcówek termopar palcem wskaźnik przy lewej końcówce cofnął się do -7, natomiast przy prawej posunął się do 7. Oznacza to, że między końcówkami termopar panuje różnica potencjałów. Ten test miał właśnie to potwierdzić. Następnie badano promieniowanie. Badanie polegało na przyłożeniu dwóch białych kartoników (wskaźnik wychylił się do 0,4), dwóch czarnych kartoników (wskaźnik wychylił się do -0,5) i dwóch różnych kartoników (wskaźnik wychylił się do -3,1). W ostatnim przypadku jest najbardziej znacząca różnica potencjałów. Oznacza to, że czarne obiekty lepiej pochłaniają ciepło (promieniowanie). Dalej badano parowanie. Na jedną z wat położonych na termopary nalano kroplę alkoholu. Wskaźnik przesunął się do pozycji 3,5. Oznacza to, że prócz ciepła odbieranego od lampki, odbierane było także ciepło od parującego alkoholu. Przy badaniu rozszerzalności liniowej metalu wykorzystano układ z termostatem podłączonym do prądu zmiennego. Zaraz po podłączeniu do prądu żarówka świeciła się, gdyż był to obwód zamknięty. Pod wpływem napięcia, drut się rozgrzewał i rozciągał, po czym za pomocą sprężynki przerywał obieg prądu - powodowało to otwarcie obwodu, żarówka w tym momencie gasła, szybko ostygał, kurczył się, przez co obieg znowu się zamykał i prąd znowu krążył, drut się ponownie rozgrzewał itd.
Termostat to urządzenie lub element urządzenia utrzymujące zadaną temperaturę poprzez aktywne działanie. Można go spotkać w lodówkach, zamrażarkach czy też w układach chłodzenia w samochodach. W doświadczeniu tym użyto również żarówki wolframowej. Żarówka to lampa elektryczna, w której elementem świecącym jest przewód - żarnik rozgrzany do wysokiej temperatury na skutek przepływu prądu. Aby nie nastąpiło utlenienie żarnika, jest on umieszczany w bańce szklanej, wewnątrz której panuje próżnia lub jest ona wypełniana mieszaniną gazów obojętnych. Wolframowy drucik w żarówce pod wpływem prądu nagrzewa się i oddaje energię w postaci ciepła i światła. W termometrze bimetalicznym pomiar temperatury odbywa się za pomocą układu bimetalicznego wewnątrz czujnika termometrycznego. Element bimetaliczny to dwa nierozerwalnie połączone paski metalu. Każdy z metali ma inny współczynnik rozszerzalności cieplnej
Wnioski:
Zestawienie wyników:
Śr. || = 144,8842151 J/msK przy T~20ºC
Odchylenie standardowe κ - 13,66089779
Współczynnik κ dla duraluminium wynosi:
160,5 J/msK w temperaturze 0 C
180,8 J/msK w temperaturze 100 C
194,2 2 J/msK w temperaturze 200 C
Pierwsza część doświadczenia pokazała, że im dalsza termopara na pręcie, tym mniejsza temperatura. Jest to zależność liniowa. Termopara najbliżej źródła ciepła ma największą temperaturę. Obliczony współczynnik przewodnictwa cieplnego - 144,8842, zakładając, że obliczenia zostały wykonane poprawnie, zbliżony jest w miarę do wartości tablicowych, więc można stwierdzić, że ćwiczenie było wykonywane z uwagą. Ponadto dość duże jest tutaj odchylenie standardowe, wynosi ono 13,6609, co wskazuje na to, że wynik nie jest dokładny. Może wynosić mniej lub więcej.
Druga część ćwiczenia wykazała, że czarne obiekty lepiej pochłaniają ciepło a także ukazała działanie termometru bimetalicznego, udowadniając przy tym rozszerzalność liniową metalu, którą oblicza się mnożąc współczynnik rozszerzalności liniowej przez przyrost długości a także zmianę temperatury.