17
И светит и греет
В заочном конкурсе III Московского турира юных физиков была такая задача:
Свеча при горении светит и греет. Определяйте теплотворную способность парафиновой свечи.
Много различных решений представили жюри участники конкурса. Они решения базировались на неопределенном нагревании свечой какого-либо тела с известной тепломкостью. Главный недостаток этого метода в том, что свеча нагревает не только выбранное тело, но и окружающий среду, а учет это практическим невозможно. Другие решения основывались на явления конвекции, но до конца доведены не были из-за сложности математических расчетов. Были и такие предложения: окружить свечу металлической оболочкой какой-нибудь простой формы и расчитать тепловой поток через нее при установившихся температурах внутри и снаружи. Неодостаток этого метода — в необходимости подачи кислорода для горения свечи, что связано с дополнительными потерями тепла.
Рис. 1.
Наиболее радиональным для решения данной задачи жюри признано так называемый компенсационный, или сравнительный, метод. Вообще говоря, это один из важнейших методов экспериментальной физики. Он позволяет находить значения физических величины не непосредственно (что часто невозможно сделать достаточно точно), а сравнивая их с эталонными значениями. Классический пример применения этого метода является изменение неизвестных сопротивлений с помощью мостика Уитстона (рис. 1). Если ток через галванометр G нечет, выполняется соответствие (проверьте самостояльно)
Здесь неизвестное сопротивление сравнивается с эталонным сопротивлением (отношение легко изменить, например — с помощью реохорда). Такой метод и был применен нами для определения тепловой мощности свечи.
Представим себе свечу, помещенную в трубу, через которого проускается воздуха. Тепло, излучаемое свечой, выходит частно вместе с воздухом, а частно — через стенки трубы. Тепрь заменим свечу каким-нибудь другим излучателем, похожим по форме и размерам на свечу, но мощность которого известна и притом может изменяться. Например — электрическим нагреваем. Меня мощность нагреваеля, добавляемая потоков тепла, уносимых воздуха в обихах случах. Так как условия опытов не меняются, тепловые потоки, выходящие через стенки трубы, тоже одинаковы. Следовательно, однаковы и суммарные мощности свечи и нагреваем. Определив мощность электрического нагреваеля, как произведение тока на напряжение, найдем тепловой мощность свечи.
Заметим, что важным премиумществом данного метода является исследование стационарного процесса, когда все энергия сгорания свечи выделяется в виде тепла.
18
Рис. 2.
На рисунке 2 приведена фотография установки, с которой мы проводили опыты, а на рисунке 3 — схема этой установки. Воздух в трубу 1 подается с помощью вентилятора 2, который позволяет регулировать скорость воздушного потока, чтобы добиться более полного сгорания топлива и Staционарности потока. На выходе трубы установки термодатчик 3; он позволяет с большой точностью контролировать равенство температур выходшего воздуха в различных опытах. На решетку 4 ставится блюдце 5 для сбора стеклощего парафина. Пlamя свечи 6, установленный на блюдце, окружается длинным закопченным металлическим цилиндром 7. Через его верхнее отверстие (достаточно удаленное от пламени свечи) выходит пренебрежимо мало света. (В наших опытах световой поток, выходящий через отверстие, составлял около 4% от всей световой мощности, излучаемой свечой). Practически весь свет поглощается цилиндром и, превращаясь в тепло, отдается воздуха.
В качестве электрического нагрева мы использовали проводочный реостат (залитый керамикой) сопротивлением 550 Ом и номинальной мощностью 20 Вт (в опытах мощность значительно превышала номинальную и достигала ~50—120 Вт).
Для определения теплоты сгорания свечи, кроме ее тепловой мощности, надо знать еще расход парафина в единицу времени. Это можно сделать, взвешив собранный на блюдце парафин и измерив время горения свечи (~3—4 минуты). При этом надо иметь в виду, что сначала процесс горения не будет стационарным. Однако момент установки Staционарного режима легко определить с помощью термодатчика —
Рис. 3.