Materiały i metody

Do pomiarów potrzebnych by wyznaczyć współczynnik przewodnictwa cieplnego metalu użyte zostaną termopary, których schemat znajduje się poniżej:

Piecyk oznaczony jest literą P i nagrzewany jest prądem przemiennym. Symbole od T1 do T9 oznaczają kolejne termopary ( w rzeczywistości aparatura zawiera 15 termopar, więc zostało zbadanych i zapisanych 15 wyników). Jeden koniec pręta zanurzony jest w termosie, w którym znajdują się w stosunku 1 do 1 woda w stanie ciekłym i lód. Zapewnia to stałą temperaturę około 273,15 Kalwina. Drugi koniec jest nagrzewany przez piecyk. Ściany pręta są dobrze odizolowane od otoczenia tak aby nie zachodziła wymiana ciepła. Na pręcie znajdują się w ustalonych odległościach od siebie kolejne termopary. Pod powstały obwód podłączony jest galwanometr, za pomocą którego jesteśmy w stanie zmierzyć U₀ i U₁ a także opór.

Dzięki zastosowaniu układu termopar rozmieszczonych wzdłuż pręta możemy wyznaczyć gradient temperatury.

Gdzie x to odległość między termoparami. Wiemy też, że S=
przy czym średnicę pręta wyznaczyłem śrubą mikrometryczną. Można więc zapisać.

Stąd, można wyprowadzić wzór na współczynnik przewodnictwa cieplnego.

Druga część ćwiczenia to doświadczenie dotyczące parowania i promieniowania. Zestaw używany do tej części ćwiczenia to termopara połączona z galwanometrem. Złącza termopary są od siebie oddalone i odizolowane podłoża warstwą styropianu. W czasie eksperymentu będą na nie kładzione kawałki bibuły. Pomiary polegają na odczytaniu wskazań galwanometru przy każdej z doświadczalnych sytuacji. Źródłem promieniowania będzie lampa umieszczona nad zestawem a wpływ parowania na układ zostanie sprawdzony za pomocą wacików, z których jeden będzie nasączony wodą.

Celem trzeciego zjawiska jest obserwacja zjawiska rozszerzalności liniowej metalu z wykorzystaniem układu zamontowanego na statywie.

Ostatnim zjawiskiem jest rozszerzalność metali zbadana za pomocą termometru bimetalicznego.

Przebieg i rezultaty

Na początku doświadczenia zbadaliśmy temperaturę wody (czy znajduje się w granicach temperatury pokojowej), w której była umieszczona jedna z termopar oraz sprawdziliśmy kalibrację przyrządu do pomiaru temperatury. Następnie przystąpiliśmy do pomiaru termopar w temperaturze otoczenia. Zanotowane wyniki przedstawia pierwsza tabela:

Nr pomiaru	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12	T13	T14	T15
Temperatura [°C]	12	14	15	16	17,5	18	18,5	19,5	20	20,5	20,5	20,5	21	21,5	22

Zobrazowana wykresem:

Następnie pod kontrolą prowadzącego włączony został piecyk. Po ustabilizowaniu się temperatury 54 stopni w skali Celsjusza odczytane zostało napięcie początkowe (zasilanie piecyka). Następnie pręt został włożony do piecyka (konkretnie końcówka pręta). Zasilanie piecyka zostało zwiększone a temperatura powróciła do 54 stopni, gdyż po włożeniu pręta spadła. Na zostało odczytane nowe napięcie. Następnie została sprawdzona temperatura na wszystkich termoparach. Dane zostały umieszczone w tabeli poniżej:

Nr pomiaru	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12	T13	T14	T15
Temperatura [°C]	13	14	16	17	19	20	22	23,5	25	27	30	33	37	40	44

Zobrazowanej wykresem poniżej:

Pomiary dodatkowe odczytane i zmierzone:

d[m] = 6,42mm/1000 = 0,00642m

r[m] = d[m]/2

r[m] = 0,00642m/2 = 0,00321

U₀[V] = 4,8

U₁[V] = 6,5

R[Ω] = 8,5

Poniżej znajduje się tabela zawierająca współczynniki przewodnictwa dla każdej termopary oraz średnią wartość tego współczynnika.(Obliczenia dokonywane są przez program Microsoft Excel).

Nr pomiaru	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7
Temperatura [°C]	13	14	16	17	19	20	22
x	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35
	21,29586	43,65651	68,93133	94,39246	124,7329	154,0818	190,9972

Nr pomiaru	T8	T9	T10	T11	T12	T13	T14	T15
Temperatura [°C]	23,5	25	27	30	33	37	40	44
x	0,40	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,70	0.75
	229,0178	270,9714	323,3816	400,1847	498,9316	667,6878	873,1302	1309,695
	351,4059

Wnioski

Obliczone dane nie są dokładne gdyż w układzie występuje wiele czynników zaburzających wyniki. Jednym z nich jest choćby wadliwość urządzeń użytych do eksperymentu. Poza tym, napięcie wskazane przez galwanometr jest napięciem uśrednionym. Nie należy też zapominać o niedoskonałości narządów zmysłów obserwatora.

Druga część ćwiczenia polegała na udowodnieniu eksperymentalnie zjawiska promieniowania i parowania. Użyty do tego zostanie zestaw złożony z galwanometru i 2 termopar. Zgodnie z teorią ciało czarne powinno pochłaniać więcej promieniowania niż ciało białe. Tak więc na termoparach najpierw kładziemy jednokolorowe kawałki bibuły, dwa białe a potem dwa czarne. Zgodnie z oczekiwaniami nie powoduje to odchylenia wskazówki galwanometru. Potem kładziemy jedną czarną i jedną białą. Na galwanometrze wskazówka odchyli się w stronę po której leży kawałek czarnej bibuły.

Parowanie udowadniamy analogicznie. Najpierw zostały położone 2 waciki suche, które nie powodowały odchylenia wskazówki. Następnie jeden z wacików został nasączony wodą. Powoduje to odchylenie wskazówki w kierunku suchego wacika. Oznacza to, że woda, którą nasączony jest wacik pobiera ciepło aby przejść ze stanu ciekłego w gazowy.

Trzecia część ćwiczenie polegała na zaobserwowaniu zjawiska rozszerzalności liniowej metalu pod wpływem temperatury na specjalnym układzie, gdzie obwód elektryczny połączony jest z termostatem i żarówką. Jedna z części tego obwodu to cienki metalowy drucik. Po włączeniu układu przez obwód zaczyna płynąć prąd powodując świecenie żarówki. Pod wpływem przepływu prądu drucik nagrzewa się i rozszerza. To powoduje przełączenie termostatu i przerwanie obwodu. Kiedy prąd nie płynie drucik stygnie i kurczy się znowu przełączając termostat, przez co cykl zaczyna się od nowa.

Obserwacja działania termometru bimetalicznego, udowodniła rozszerzalność metali względem innych. Wskaźnik termometru pod wpływem wzrostu temperatury wychylał się, natomiast przy jej spadku wracał do pierwotnego położenia.

Literatura

Wikipedia: Największa Internetowa Encyklopedia.

---