Опыт, описывающий явления, находящиеся на границе тепловых и электрических процессов.

Описание опыта. Стеклянный термос ёмкостью 0,3 литра закрывается пробкой, через отверстие в пробке пропускаются провода термопары и мощного резистора. Термопара и мощный резистор находятся внутри термоса почти на самом дне. Термопара предназначена для измерения температуры прибором-самописцем температуры APPA-109N, эта термопара входит в комплект прибора. Резистор номиналом 5,1 Ом и мощностью 3 Ватта предназначен для нагревания среды внутри термоса - в качестве среды нагревания в термосе использовалось масло, предназначенное для вакуумных насосов «Мультивак», в термос заливается 61 грамм масла. Резистор запитывается от регулируемого источника постоянного тока GSV-1200.

Опыт с нагреванием среды в термосе проводится в течение 2,5 суток, поэтому прибор APPA-109N обеспечивается батареями питания повышенной ёмкости. Самописец APPA-109N пишет параметр – температуру – с шагом во времени 30 секунд. Самописец имеет ёмкость памяти 6000 измерений. По истечении 2,5 суток в термосе устанавливается тепловое равновесие и регистрируется температура, близкая к стабильной – обозначим эту температуру как T_O (температура объекта). В процессе измерения фиксируем приборами также следующие параметры: электронным термометром TM-977 - температуру окружающей среды (температуру в комнате вдали от источников тепла), мультиметром MY-68 измеряем ток через резистор, другим мультиметром MY-68 - напряжение на выводах резистора.

Одну точку измерения мы получаем через 2,5 дня нагревания среды. Задача эксперимента - установить функциональную взаимосвязь между параметром P – мощность протекающего через резистор тока I:

и параметром

где ΔU – напряжение, падающее на резисторе,

T_C - температура окружающей среды (комнатная температура).

В процессе измерений была получена следующая таблица:

Таблица 1.6.1.

Температура в таблице 1.6.1 измерена в градусах по Цельсию.

Таблица 1.6.2.

В таблице 1.6.2 получены расчётные величины. Построим график ΔT и ΔU² в зависимости от мощности P (рис. 1.6.1):

Рис. 1.6.1. Экспериментальные данные для ΔT (голубые точки) и для ΔU2 (зелёные точки). Красными точками построена математическая модель для ΔT, сиреневыми точками - математическая модель для ΔU² = P*R, R – сопротивление резистора в термосе. Сиреневыми числами обозначены деления аргумента функции ΔU² = P*R.

Подобие тепловых и электрических процессов определяется сравнением их потенциалов ΔT и ΔU. Прямая пропорциональность между ΔT и мощностью (тепловым током) P выражается законом Фурье через тепловое сопротивление (величина, обратная теплопроводности):

Отсюда единица измерения теплового сопротивления 1 тепловой Ом = 1 Кельвин / 1 Ватт. На примере закона Фурье (см. рис. 1.6.1) видно, что ΔT пропорционально ΔU². Представим электрический и тепловой законы (законы Ома и Фурье) в виде:

Отсюда:

Единица измерения мощности P – Ватт. Она является тепловым током, поскольку определяется размерностью: