Установка для измерения коффициента теплопроводности воздуха

Лянзберг Ю.В., Вовк А.А. - ст. 3  курса БГМФ:
Кияновский А.М., Троицкий Н.Б. доценти

Теплопроводность воздуха l измеряется на установке, состоящей из двух коаксиальных цилиндров, пространство между которыми заполнено газом, в нашем случае воздухом (рис.1).

Если температура цилиндров t1 (внутреннего, диаметром d1) и t2 (внешнего диаметром d2), то поток тепла в данном случае определяется выражением

               (1)

 где h - высота цилиндров, l - теплопроводность.

Внутренний цилиндр - проволока, по которой проходит ток, нагревающий её до температуры t1. У наружного цилиндра температура равна температуре t2 воздуха в помещении.

В стационарном режиме тепловой поток Q равен количеству тепла, выделяемому током в нити:

                 (2)

 где U - напряжение,  подведенное к нити, R - её сопротивление.

Нить накала отдает тепло не только за счет механизма теплопроводности, но и из-за конвекции и теплового излучения. При небольшой разности температур t₁ - t₂ можно не учитывать тепловое излучение и конвекцию (при необходимости можно разбить объем воздуха на небольшие ячейки или каналы и возникновению конвекционных потоков помешает вязкость воздуха).

Температуру нити t находим по её сопротивлению:

                 (3)

 где R₀ - сопротивление нити при t=0, a - температурный коэффициент сопротивления металла. Точность измерения температуры определяется точностью измерения малого сопротивления R, когда существенно влияние соединительных проводов. Для уменьшения погрешности образцовое сопротивление R_обр включается последовательно с сопротивлением R. В этом случае

                (4)

где U - падение напряжения на сопротивлении R, U_обр - на сопротивлении R_обр; оба напряжения измеряются высокоточным цифровым вольтметром.

Установка позволяет уловить момент возникновения конвекции. Для этого следует увеличивать температуру нити t1 или величину объема сосуда. Конвекция возрастает скачком.