Pho.rs: J1b - Неоднородная теплопроводность

Условие

English Toggle Dropdown
Türkmençe

Оборудование:

Металлическая трубка с обмоткой
Пробка
Термометр с надетой пробкой
Термометр без кожуха
Секундомер
Чайник
Шприц 20 мл
Перчатки
Салфетки для поддержания чистоты
Две клипсы
Резинка
Ведро для слива

Вам нужно будет наливать горячую воду в металлическую трубку. Это нужно делать только в перчатках, чтобы не обжечь руки.

Длина трубки $L=50.0~см$, диаметр внешнего сечения трубки $D=12~мм$, плотность воды $\rho=1.00~г/см^3$, удельная теплоемкость воды $c=4.2~Дж/(г\cdot^\circС)$. Металлическая часть трубки очень хорошо проводит тепло. Одна ее половина обмотана черной изолентой толщиной $d_b=0.68~мм$, другая ее половина обмотана белым малярным скотчем толщиной $d_w=0.38~мм$.

Внимание! Вы не должны мочить малярный скотч. Снимать пробку с термометра запрещено!

В данной работе мы будем исследовать остывание воды внутри трубки с неоднородной тепловой изоляцией. Динамика остывания контролируется двумя явлениями:

Тепловая мощность теплопередачи $P_1$ через тонкий слой с теплопроводностью $\kappa$, площадью $S$ и толщиной $d$:
\[ P_1 = \frac{ \kappa S}{d }(T-T_\text{in}), \]
где $T_\text{in}$ - температура внутри трубки, $T$ - температура на поверхности слоя.
Тепловая мощность потерь $P_2$ в окружающую среду с нагретой до температуры $T$ поверхности площадью $S$:
\[P_2 = \alpha S (T - T_0),\]
где $T_0$ - температура окружающей среды.

Для обозначения относящихся к малярном скотчу величин будем использовать индекс «$w$», для обозначения относящихся к изоленте величин будем использовать индекс «$b$».

B1 Измерьте зависимость температуры внутри $T_\text{in}$ и на поверхности изоленты $T_b$ от времени $t$. Снимите не менее 10-ти точек.

Измерения начинаются с того, что вы заливаете $20~мл$ горячей воды внутрь трубки. Когда вы это делаете, первые залитые порции в итоге оказываются холодными, так как тепло уходит на нагрев всей системы. Перед снятием показаний обязательно интенсивно перемешайте воду внутри трубки, заткнув ее пробками с обеих сторон!

Чтобы зафиксировать термометр без кожуха на поверхности изоленты, зажмите его резинкой. При остывании трубка должна стоять на клипсах, чтобы минимизировать теплообмен со столом.

B2 Постройте график $T_b$ от $T_\text{in}$.

B3 Измерьте зависимость температуры внутри $T_\text{in}$ и на поверхности малярного скотча $T_w$ от времени $t$. Снимите не менее 10-ти точек.

B4 Постройте график $T_w$ от $T_\text{in}$.

B5 С помощью построенных графиков найдите отношение теплопроводностей $\kappa_b/\kappa_w$.

B6 Пользуясь данными, полученными в пунктах B1 и B3, найдите абсолютные значения теплопроводностей $\kappa_b$ и $\kappa_w$.