SU51684A1 - Прибор дл определени механического эквивалента тепла - Google Patents

Description

Определение механического эквивалента тепла  вл етс  одной из важнейших практических работ в физической лаборатории. Получение точного значени  механического эквивалента тепла при помощи известных несложных опытов в простой постановке сопр жено с значительными трудност ми вследствие недостаточной точности метода измерени  небольших количеств механической работы и большой погрешности при определении выдел юшихс  при этих опытах малых количеств тепла, сопровождаемых значительными потер ми .

Главные недостатки известных приборов дл  определени  механического эквивалента тепла, например, прибора Гримзел , заключаютс  в неудобстве манипул ций с т желой гирей, в грубом способе отсчета высоты падени  гири, в больших погрешност х, в незначительности развиваемой механической работы и т. п. Поэтому, если приборы этого типа можно примен ть дл  демонстрации в лекционной обстановке , то дл  удовлетворительной постановки соответствуюш;ей практической работы в лаборатории они мало пригодны как по своей конструкции , так и по качеству методов измерени  величин, необходимых дл 

определени  механического эквивалента тепла.

Другие приборы (например, прибор Пулу ), будучи более подход ш,им дл  практических работ, требуют точной установки отдельных частей, что усложн ет пользование ими.

Наконец, иные приборы (например, Коллендера и Роуланда-Джаул ), будучи более точными, чем прибор Пулу ,  вл ютс  громоздкими установками и сложны по конструкции.

Предлагаемый прибор дл  определени  механического эквивалента теплоты в значительной степени свободен от перечисленных недостатков.

Конструкци  предлагаемого прибора по сн етс  чертежом, на фиг. 1 которого изображена в собранном виде основна  часть прибора-калориметр - в косоугольной нроекции с частично вырезанными внешним цилиндром и крышкой; на фиг. 2- деталь в косоугольной проекции; на фиг. 3-8 - отдельные детали в двух проекци х; на фиг. 9-вид сверху на калориметр (показанный с частично вырезанной крышкой).

Латунный цилиндрический сосуд А с полированной поверхностью, в дно которого вмонтирована латунна  цилиндрическа  трубка В, образует кожух калориметра - основную часть

прибора, в которой происходит превращение работы в теплоту. Нижн   более узка  (и толстостенна ) часть трубки В играет роль подшипника дл  вертикального вращающегос  стержн  D; вс  же эта трубка предотвращает возможность вытекани  из сосуда А налитой в него жидкости. Трубку В окружает полый латунный цилиндр С с полированной наружной поверхностью, наглухо скрепленный с латунным стержнем D,  вл ющимс  осью вращени  цилиндра С. Стержень D пропущен через трубку В, а цилиндр С располагаетс  внутри цилиндра А концентрично. Прибор приспособлен к обыкновенной центробежной мащине , имеющейс  почти во всех физических кабинетах и лаборатори х; в верхнюю утолщенную часть металлического стержн  Е вмонтирована эбонитова  втулка F, в которую ввинчиваетс  нижний конец стержн  D (фиг. 1). Втулка F служит дл  термической изол ции прибора. Стержень Е вставл етс  в патрон центробежной машины, при помощи которой осуществл етс  вращение стержн  D и скрепленного с ним цилиндра С. Крышка Н плотно надеваетс  на цилиндр А и закрепл етс  посредством штифтов М (с нарезкой), вделанных в стенке цилиндра А и вход щих, при надевании крышки, в вертикальные разрезы в ее бортиках. В крыщке Н смонтирован штифт G с нарезкой и контргайкой, который, вход  нижним своим концом- в „подп тник (углубление ) в центре верхней части цилиндра С, обеспечивает правильное положение цилиндра А и вообще всей неподвижной части калориметра. Этот „подп тник и поддерживает неподвижную часть калориметра.

Трение происходит между боковой поверхностью вращающегос  цилиндра С и неподвижно закрепленными тонкими латунными (0,2 жж) пружин щими пластинками N. Прижатые к цилиндру С кра  пластинок N изогнуты соответственно кривизне этого цилиндра и имеют несколько разрезов дл  лучшего соприкасани  с его поверхностью. Плаетинки N можно закрепить внутри цилиндра А тем или иным способом, но наиболее

удобно сделать так, как это показано на фиг. 2: в плоском, горизонтально расположенном, латунном кольце К вмонтированы две вертикальные латунные стойки О, причем кажда  стойка свободно вращаетс  в кольце К вокруг своей вертикальной оси; к этим стойкам прикреплены пластинки N; смонтированна  таким образом деталь К, N, О помещаетс  внутри цилиндра А. Верхние концы стоек О, проход  через соответствующие отверсти  в крышке Н, несколько выступают над последней и имеют винтовую нарезку дл  закреплени  их при помощи маленьких латунных гаек Р (фиг. 1). Выступающие над крьшдкой концы стоек О имеют также неглубокие продольные разрезы, благодар  которым можно при помощи отвертки (в собранном уже приборе) повернуть каждую из этих стоек и прижать пластинки к боковой поверхности цилиндра С более или менее сильно, получа  таким образом, по желанию, большую или меньшую силу трени .

В калориметр налито масло (или глицерин), которое при трении нагреваетс ; незначительна  теплопроводность масла практически не играет никакой роли, так как благодар  быстрому вращению цилиндра С масло хорощо перемешиваетс ; последнее обсто тельство исключает необходимость пользовани  специальной мешалкой . Так как трущиес  детали наход тс  в масле, то последнее, игра  роль калориметрической жидкости, одновременно с этим способствует посто нству силы трени . Температуру жидкости (и калориметра) отсчитывают по термометру с делени ми в О,Г, который введен в калориметр через специальное отверстие в крышке прибора. Погруженна  в масло часть термометра находитс  между боковыми поверхност ми цилиндров А и Е.

Дл  определени  силы трени  в приборе применен динамометр (фиг. 9). Основной частью динамометра  вл етс  стальна  спиральна  пружина S (от небольшого часового механизма), один конец которой закреплен неподвижно посредством зажима R, а другой конец скреплен с поворотным

вертикальным валиком Т; на этот же валик Т плотно насажены (скреплены с ним) маленький диск-шкив Q с желобком на боковой поверхности и стрелка Z. Динамометр проградуирован на единицы силы; соответствующие числа (в граммах) написаны на круговой горизонтально расположенной шкале L, по которой при враш .ении шкива Q движетс  конец стрелки Z. Градуировку динамометра легко сделать (не пользу сь дополнительным блоком), поставив его вертикально и подвешива  разновески к -нити X, охватывающей щкив Q. К шкиву Q прикреплен шнурок X (прочна  нить), который, охватив этот шкив Q, идет к калориметру и, сделав вокруг последнего часть оборота, прикрепл етс  к штифтику 1, припа нному на поверхности цилиндра А (фиг. 3). Весь динамометр смонтирован на вертикальной металлической колонке, прикрепленной к стенке центробежной машины.

Помощью центробежной машины привод т стержень ED и цилиндр С во вращательное движение по часовой стрелке (если смотреть сверху, как показано на фиг. 9); вращение цилиндра С увлекает благодар  трению также и наружный сосуд калориметра; стрем сь повернутьс  в том же направлении, что и цилиндр С, цилиндр А нат гивает шнурок X и, врап1,а , таким образом, шкив Q, закручивает пружину S до тех пор, пока упруга  сила закручивани  этой пружины, уравновесив силу трени , не станет удерживать цилиндр А от дальнейшего вращени . Цифра на щкале L, против которой устанавливаетс  при работе прибора стрелка динамометра, непосредственно дает величину силы F, приложенной к цилиндру А и удерживающей его от вращени . Очевидно, что момент этой силы, уравновещивающий вращающий момент наружного цилиндра калориметра , по величине равен моменту силы трени .

Так как при любом закручивании пружины шнурок X и, следовательно, сила F направлены по касательной к поверхности цилиндра А, то при любом значении силы F момент /И этой

силы равен: M FR, где R - радиус цилиндра А. Сила трени  в предлагаемом приборе мало зависит от скорости вращени  (если вращение не происходит очень медленно)и остаетс  почти посто нной в продолжение значительного промежутка времени; стрелка динамометра устанавливаетс  почти неподвижно, испытыва  только соверщенно незначительные колебани  (дрожани ).

Дл  производства опытов необходимо приводную ось прибора соединить со счетчиком оборотов. С этой целью на вертикально вращающемс  валике центробежной мащины сделана винтова  нарезка (на чертеже не показанна ), котора  ведет отсчетное зубчатое колесо с делени .ми. На отсчетном колесе имеетс  сто зубцов; . одному полному обороту этого колеса соответствуют сто оборотов стержн  ED (вообще „ротора прибора); возле отсчетного колеса закреплен неподвижный указатель (стрелка). В счетчике оборотов предлагаемого прибора может быть применено еще простое приспособление, при помощи которого можно отсчетное колесо несколько отвести от валика центробежной машины, а затем оп ть его придвинуть до зацеплени  с винтовой нарезкой на этом валике. Благодар  этому приспособлению можно, не враща  вертикальный стержень прибора, установить отсчетное колесо так, чтобы нулевые делени  на нем совпали с неподвижным указателем; впрочем применение этого приспособлени  не об зательно.

Производство опыта и вычислений протекает следующим образом. Сначала определ ют теплоемкость всей системы, подвергающейс  нагреванию. Дл  этого взвешивают калориметр (фиг. 1), собранный без термометра и без стержн  Е со втулкой; эту операцию легко выполнить, вынув калориметр из патрона центробежной машины и отвинтив от него деталь Е, F. Можно также вес детали Е, F определить раз навсегда, а при последующих опытах производить взвешивание всего прибора, не отвинчива  детали Е, F; разность между найденным весо.м и известным (данным заранее ) весом детали Е, F даст общую массу /И латунных деталей, подвергающихс  в процессе опыта нагреванию . Теплоемкость этой массы OTJ выразитс  через М ст-, где с- удельна  теплоемкость вещества калориметра (латуни); теплоемкость уУ/, есть величина посто нна  дл  данного прибора.

Масло можно влить в калориметр, не снима  крыщки, через отверстие дл  термометра; массу т2 масла определ ют , производ  вторичное взвешивание калориметра, по уже с влитым в него маслом; при желании можно масло взвесить только один раз дл  ббльщего числа опытов, ибо конструкци  прибора прекрасно предохран ет масло от вытекани , разбрызгивани  и испарени .

Теплоемкость масла выразитс  через .М2 С2т2, где Q - удельна  теплоемкость данного масла.

Взвещивани  достаточно производить с точностью до 0,01 г. Теплоемкость погруженной части термометра My определ ют обычным путем. Обща  теплоемкость всей системы выразитс  черев Ж уИ) -f- 2 + 8 1 i +

-|- 4:2 «2 + 3Перед первым отсчетом температуры колесо центробежной мащины немного поворачивают дл  того, чтобы щнурок X несколько нат нулс ; колесо счетчика оборотов устанавливают так, чтобы нулевое деление на этом колесе приходилось против неподвижного указател , затем делают отсчет температуры и начинают вращение; в начале враихени  рекомендуетс  на один момент придержать рукой щнурок X во избежание первого несколько резкого рывка пружины динамометра.

Опыт производ т два экспериментатора . Один из них следит за счетчиком оборотов и делает нужные записи , второй вращает колесо центробежной мащины и следит за стрелкой динамометра. Так как стрелка устанавливаетс  в продолжепие значительного промежутка времени почти неподвижно, то отсчет силы F можно сделать легко и с достаточной точностью (до 0,5 г). Так как через некоторый промежуток времени сила трени  может все-таки несколько изменитьс , то лучще сделать несколько отсчетов силы через определенные промежутки времени.

Шкала динамометра, градуированного на граммы силы, и посто нство силы трени  в продолжение длительных промежутков времени дают возможность делать отсчеты силы F достаточно точно и как угодно часто, например, через каждые 100-200 оборотов цилиндра С; вз в среднее арифметическое из всех этих отсчетов, определ ют таким образом среднее (за весь процесс опыта) значение силы Г с больщей точностью, чем при определении механического эквивалента тепла помощью прибора Пулу .

Наблюдени  ведут следующим образом . Первый наблюдатель, след  за счетчиком оборотов, дает знать второму наблюдателю о моментах прохождени  нулевого делени  колеса счетчика через неподвижный указатель; второй наблюдатель (вращающий колесо центробежной мащины ) в указанные ему моменты отсчитывает по шкале динамометра силу с точностью до 0,5 г, сообща  значени  силы первому наблюдателю, который делает соответствующие записи . Отсчеты силы делают через каждые 100 или 200 оборотов ротора прибора (что соответствует одному или двум оборотам колеса счетчика).

Дл  примера здесь приведена одна из таких записей, сделанных при работе с выполненным образцом предлагаедмого прибора:

f 1 + 2 + +- у0 7 2

Когда стержень ED (и цилиндр С) сделает 3-4 тыс чи оборотов, вращение прекращают и отсчитывают температуру; вращение (4 тыс чи оборотов ) продолжаетс  4-5 минут. При помощи щтангенциркул  измер ют диаметр 2/ цилиндра А.

Ясно, что при одном обороте стержн  ED (и цилиндра С) будет произведена работа: полна  же работа при п оборотах выразитс  формулой: A 2r.FRn.

Эта затраченна  механическа  работа превращаетс  в эквивалентное количество тепловой энергии. Если температура повысилась на () ° то количество тепла, полученное всей системой, подвергающейс  нагреванию , выразитс  формулой: Q УИ (4 - j), где М - теплоемкость всей этой системы; таким образом Q ( OTj-|- 2/«2 + з) (4 )Механический эквивалент тепла найдем из формулы

l-FRn

J -

с т + 2 «2 f (2 i)

Дл  выполненного образца теоретическа  (вычисленна ) относительна  погрещность определени  механического эквивалента тепла имеет пор док 2,6%. При этом на величину погрешности в определении У вли ют, главным образом, погрешности в определении силы и температуры; поэтому эти две величины должны быть определены наиболее тщательно; метод определени  силы был подробно изложен выше; термометр же должен быть точный с делени ми в 0,Г.

Результаты же р да опытов показали , что действительна  погрешность в определении механического эквивалента тепла чаще всего значительно меньще, чем вычисленна  „теоретическа  погрешность, так как в процессе опыта некоторые частные ошибки имеют противоположные знаки и частично друг друга исключают.

Таким образом, предлагаемый прибор обладает по сравнению с наиболее пригодным дл  экспериментировани  прибором Пулу  некоторыми преимуществами, из которых основные следующие:

1) рациональна  и удобна  конструкци  динамометра и вообще более удобный и точный метод определени  силы трени  и момента этой силы; можно заметить еще, что больша  точность метода определени  механической работы зависит также от большей точности измерени  радиуса R (плеча силы): при работе с прибором Пулу  нужно дл  получени  величины iR. измерить рассто ние по эбонитовой дощечке от оси конусов до места прикреплени  шнурка; относительна  погрешность при этом измерении может достигать Р/о; при работе с предлагаемым прибором величину 1R наход т, измерив диаметр цилиндра Л, а это измерение легко выполнить с точностью до 0,2-0,3%;

2)применение более простого счетчика оборотов;

3)в предлагаемом приборе наружный цилиндр, непосредственно соприкасавшийс  с окружающим воздухом, остаетс  в процессе опыта неподвижным , между тем, как в приборе Пулу  вращаетс  наружный конус, что несомненно способствует увеличению тепловых потерь;

4)более рационально осуществлена в новом приборе термическа  изол ци  калориметра от центробежной машины, крепление ротора прибора и другие особенности конструкции; в то же врем  конструкци  прибора достаточно проста как с точки зрени  изготовлени  его, так и производства опыта.

По сравнению с приборами Коллендера и Роуланда-Джаул  описываемый прибор обладает (с точки зрени  применени  дл  физического практикума) такими существенными преимуществами , как больша  простота конструкции , малые размеры, портативность; весь прибор легко приспособить к обыкновенной центробежной машине.

Благодар  достаточно высокой точности методов измерени  и другим качествам, описанным выше, предлагаемый прибор может быть с успехом использован дл  производства соответствующего эксперимента, особенно дл  физического практикума в институтах и средней школе.

Предмет изобретени .

Прибор дл  определени  механического эквивалента тепла, состо щий из двух концентрических цилиндров, из которых внешний выполнен поворотным , св зан механически с пружинным . динамометром и наполнен калориметрической жидкостью, в которую погружен термометр, а внутренний выполнен вращающимс  с трением в калориметрической жидс$-1 .гЛ

кости и служит дл  ее нагревани , отличающийс  тем, что внешний цилиндр А,. Н снабжен пружинными пластинками N, прижимающимис  к внутреннему цилиндру С, и расположенной внутрипоследнего трубкой В, сквозь которую пропущена ось D внутреннего цилиндра С, с той целью, чтобы жидкость нагревалась и внешний цилиндр поворачивалс  на оси D вследствие трени  пластинок о поверхность внутреннего цилиндра.

.5 С53иг.7

.§