Работа 16. Исследование процесса выравнивания температуры соприкасающихся жидкостей (8 класс)

Работа 16. Исследование процесса выравнивания температуры соприкасающихся жидкостей (8 класс)

Цель работы

Изучение процесса установления теплового равновесия с использованием датчика температуры и термометра.

Теоретические основы работы

Установление теплового равновесия между холодным и горячим телами происходит так, что температура горячего снижается, а температура холодного повышается до тех пор пока их температуры не сравняются.

Выравнивание температур при контакте неподвижных тел постоянной формы связано с передачей энергии от более горячего к менее горячему и называется теплопередачей. Выделяют три типа теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение. Иногда для выравнивания температур между разными частями жидких и газообразных тел используют принудительную конвекцию – перемешивание.

Для измерения температуры в физике применяют термометры, конструкция которых может быть самой различной. В данной работе измерения проводят измерения жидкостным термометром, когда наблюдают за объемом жидкости возрастающей при возрастании температуры и датчик температуры электрические свойства меняются с ростом температуры (убывает электрическое сопротивление чувствительного элемента, сделанного из полупроводникового материала и расположенного в наконечнике датчика).

Жидкость в наконечнике термометра или чувствительный элемент датчика температуры для однозначного сопоставления их показаний с температурой тела должны прийти в состояние теплового равновесия с веществом, температуру которого они измеряют, что требует некоторого времени (время прогрева термометра).

В физике изменение физических величин во времени по сложному закону принято описывать временем изменения параметра до половины конечной величины и называть его характерным временем процесса. В данной работе при перемещении температурного датчика из холодной воды в горячую его показания меняются на величину:

за некоторое время. Характерным временем прогрева датчика можно назвать время t, за которое температура изменяется на величину, равную половине полной разности температур в разных половинах сосуда , т. е. от величины Тхол доходит до величины:

Чем меньше это время, тем «менее инертным» можно назвать прибор для измерения температуры. В данной работе Вы можете сравнить характерное время прогрева жидкостного термометра и датчика температуры.

Оборудование

Стакан химический Перегородка из пористого пластика Штатив с держателем Термометр спиртовой Датчик температуры Регистратор данных КПК или ПК Сосуды с горячей и холодной водой Стеклянная палочка для перемешивания жидкости Секундомер

·  Подставка или столик с регулируемой высотой

Описание экспериментальной установки

Соберите установку. Для этого закрепите держатель на штативе, а спиртовой термометр – в держателе. Вставьте в держатель рядом со спиртовым термометром датчик температуры. Чувствительный элемент датчика находится на конце металлической трубочки–корпуса, его следует располагать на одном уровне с шариком термометра (рис. 1).

Рис. 1

Соедините датчик температуры с регистратором данных. Включите КПК и проведите настройки параметров измерения.

Установка параметров измерений

·  Частота измерений 1 раз в с

·  Время измерения 5 минут

Порядок выполнения работы

Проведите пробную регистрацию температуры. Убедитесь, что датчик температуры показывает комнатную температуру, совпадающую с показанием спиртового термометра. При необходимости смените параметры измерения Опустите столик со стаканом, и, отодвинув его от установки налейте в одну половину стакана холодную воду, а в другую половину стакана – горячую воду. Наливайте воду вдвоем так, чтобы уровень жидкости в обеих половинках стакана был одинаков. (рис. 2).

Рис. 2

Переместите стакан с водой под измерители, включите регистрацию данных и поднимите столик так, чтобы термометр и датчик температуры погрузились в холодную воду примерно на половину глубины воды в стакане. Компьютер регистрирует сигнал температурного датчика, который за некоторое время выходит на постоянный уровень (горизонтальная линия на экране), что соответствует выравниванию температуры датчика и температуры воды. Одновременно Вам необходимо зафиксировать показания спиртового термометра, когда его показания выйдут на стационарное значение. Лучше все записи делать на бумаге, чтобы после окончания опыта занести в Таблицы. Не выключая регистрации данных программой, опустите стакан с водой, поверните его на 180° и погрузите термометр и датчик температуры в горячую воду. Компьютер автоматически ведет измерения, а вам следует быстро зафиксировать на бумаге температуру термометра непосредственно перед опусканием его в воду и через 10, 20, 30, 40, 50, 60 с после опускания его в воду. Кроме того, запишите установившееся значение температуры на термометре в горячей воде. После окончания измерений записи следует перенести в Таблицы. Удерживая стакан одной рукой, другой рукой аккуратно и быстро вытащите перегородку. Зафиксируйте на бумаге изменения показаний спиртового термометра через 10, 20, 30, 40, 50, 60 с, а также установившееся показание термометра. Компьютерная программа в это время продолжает фиксировать показания датчика температуры. Перемешайте воду в стакане с помощью стеклянной палочки и обратите внимание на изменение температуры. Зафиксируйте новое значение температуры, показываемое спиртовым термометром для занесения его в Таблицу 3. Остановите регистрацию показаний датчика температуры.

Обработка и анализ результатов

Занесите данные, полученные с помощью спиртового термометра (температуру холодной воды и горячей воды до снятия перегородки, установившуюся температуру смеси после снятия перегородки и температуру смеси после перемешивания воды палочкой) в Таблицу 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные по измерению температуры

Датчик температуры
Комнатная температура, °C	Tхол, °C	Tгор, °C	Tсм до перемешивания, °C	Tсм после перемешивания, °C
Спиртовой термометр
Комнатная температура, °C	Tхол, °C	Tгор, °C	Tсм до перемешивания, °C	Tсм после перемешивания, °C

Для заполнения части таблицы, связанной с датчиком используйте график, зафиксированный в программе MultiLab, и кнопку «Курсор» (подробнее о работе с графиками в программе MultiLab см.§3.5 и §6.2). На рис. 3, например показано, что через 2.9 с. после начала регистрации показания датчика температуры составляли 40 оС.

Рис. 3

Рассчитайте температуру смеси по значениям температуры горячей и холодной воды до перемешивания, считая массы смешиваемых порций одинаковыми. Сделайте выводы о точности измерения температуры холодной, горячей воды и смеси, измеряемых разными приборами и о совпадении показаний разных приборов, используемых в работе для измерения температуры. Занесите в Таблицу 2 данные по зависимости показаний спиртового термометра при переходе от измерения температуры холодной воды к измерению температуры горячей воды. Распечатайте график показаний датчика температуры от времени на этом же временном интервале и нанесите на него данные показаний спиртового термометра. Сделайте выводы о причинах различий двух графиков.

Таблица 2. Изменения показаний спиртового термометра при переходе от измерения температуры холодной воды к измерению температуры горячей

t, c	0	10	20	30	40	50	60
T, °C

Занесите данные по зависимости показаний спиртового термометра от времени после снятия перегородки в Таблицу 3. Распечатайте график показаний датчика температуры от времени на этом же временном интервале и нанесите на него данные показаний спиртового термометра. Сделайте выводы о причинах различий двух графиков.

Таблица 3. Изменения показаний спиртового термометра после снятия пергородки

t, c	0	10	20	30	40	50	60
T, °C

Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР

Почему показания термометра и датчика температуры при переносе их из холодной воды в горячую меняется не мгновенно? Как следует измерять температуру тела термометром? Какой из использованных приборов для измерения температуры реагирует на изменение температуры быстрее? Совпадает ли температура воды, измеренная термометром и датчиком температуры? Чем в данном случае определяется точность измерений температуры: точностью прибора или точностью процедуры измерения? Какие процессы, происходящие в воде после снятия перегородки, регистрируются только датчиком температуры и почему? Почему показания температурного датчика на этом этапе представляют собой не плавную кривую? Как рассчитать температуру смеси горячей и холодной воды, зная массу и температуру исходных порций воды? Почему, на ваш взгляд, температура, измеренная датчиком после снятия перегородки, выше, чем температура воды после перемешивания?

6.  Какой вид теплопередачи, на ваш взгляд преобладает после снятия перегородки между горячей и холодной водой?

Отчет по работе

Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен содержать:

·  формулировку цели,

·  формулы, по которым вы рассчитывали температуру смеси после снятия перегородки и расчеты по ней,

·  фотографию схему установки для проведения опыта,

·  значения измеряемых величин в виде таблицы,

·  графики зависимости измеряемых величин от времени,

·  выводы о совпадении показаний жидкостного термометра и датчика температуры, о различиях в показаниях термометров и причинах таких отклонений, о совпадении или расхождении теоретических расчетов температуры смеси и результатов ее измерения, описание явлений которые фиксируются с помощью датчика температуры и не фиксируются с помощью жидкостного термометра.

Дополнительное задание

Найдите характерное время прогрева термометра и датчика температуры по данным при переходе от измерения температуры холодной воды к измерению температуры горячей воды.