Và nó tỏa sáng và ấm áp

17

Và nó tỏa sáng và ấm áp

Trong cuộc thi thư từ của Chuyến tham quan các nhà vật lý trẻ lần thứ ba ở Moscow đã có bài toán:

Khi đốt, ngọn nến tỏa sáng và sưởi ấm. Xác định nhiệt trị của nến parafin.

Nhiều lời giải khác nhau đã được những người tham gia cuộc thi trình bày trước ban giám khảo. Chúng lời giải dựa trên sự đốt nóng vô thời hạn của một vật thể có nhiệt dung đã biết bằng một ngọn nến. Nhược điểm chính của phương pháp này là ngọn nến không chỉ làm nóng vật thể được chọn mà còn cả môi trường và việc tính toán điều này thực tế là không thể. Những lời giải khác dựa trên hiện tượng đối lưu, nhưng chưa được hoàn thiện do sự phức tạp của các phép tính toán học. Cũng có những đề xuất như vậy: bao quanh ngọn nến bằng một lớp vỏ kim loại có hình dạng đơn giản và tính toán dòng nhiệt truyền qua nó ở nhiệt độ ổn định bên trong và bên ngoài. Nhược điểm của phương pháp này là cần cung cấp oxy cho nến cháy, điều này có liên quan đến việc mất thêm nhiệt.

Hình 1.

Bồi thẩm đoàn đã công nhận cái gọi là phương pháp bồi thường hoặc so sánh là phương pháp có tính chất phóng xạ nhất đối với lời giải cho bài toán. Nói chung, đây là một trong những phương pháp vật lý thực nghiệm quan trọng nhất. Nó cho phép bạn tìm các giá trị của đại lượng vật lý không phải một cách trực tiếp (điều này thường không thể thực hiện đủ chính xác) mà bằng cách so sánh chúng với các giá trị tham chiếu. Một ví dụ kinh điển về ứng dụng của phương pháp này là thay đổi các điện trở chưa biết bằng cách sử dụng cầu Wheatstone (Hình 1). Nếu dòng điện qua điện kế G là lẻ thì kết quả trùng khớp (bạn tự kiểm tra)

$$\frac{R_{3\tau}}{R_x} = \frac{R_1}{R_2},$$

Ở đây, điện trở chưa xác định $R_x$ được so sánh với điện trở tham chiếu $R_{3\tau}$ (tỷ lệ $R_2/R_1$ rất dễ thay đổi, chẳng hạn như sử dụng thanh trượt). Chúng tôi đã sử dụng phương pháp này để xác định nhiệt năng của một ngọn nến.

Hãy tưởng tượng một cây nến được đặt trong một cái ống mà không khí được đẩy qua đó. Nhiệt lượng tỏa ra từ ngọn nến một phần thoát ra ngoài không khí và một phần xuyên qua thành ống. Bây giờ, hãy thay thế cây nến bằng một số bộ phát khác, có hình dạng và kích thước tương tự như cây nến, nhưng công suất của nó đã được biết và hơn nữa, có thể khác nhau. Ví dụ, chúng ta làm nóng nó bằng nhiệt điện. Công suất của lò sưởi được tăng thêm nhờ dòng nhiệt được không khí mang đi trong cả hai trường hợp. Vì điều kiện thí nghiệm không thay đổi nên dòng nhiệt thoát qua thành ống cũng như nhau. Tuy nhiên, do đó, tổng công suất của nến và nhiệt lượng cũng như nhau. Sau khi xác định công suất của lò sưởi điện là tích của dòng điện và điện áp, chúng ta sẽ tìm được nhiệt năng của ngọn nến.

Lưu ý rằng ưu điểm quan trọng của phương pháp này là nghiên cứu một quá trình đứng yên, khi toàn bộ năng lượng đốt cháy của nến được giải phóng dưới dạng nhiệt.

18

Hình 2.

Hình 2 hiển thị ảnh chụp quá trình cài đặt mà chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm và Hình 3 hiển thị sơ đồ của quá trình cài đặt này. Không khí được cung cấp cho đường ống 1 bằng quạt 2, cho phép bạn điều chỉnh tốc độ của luồng không khí để đạt được sự đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn hơn và dòng chảy ổn định. Ở đầu ra của đường ống lắp đặt có cảm biến nhiệt độ 3; nó cho phép kiểm soát với độ chính xác cao sự cân bằng nhiệt độ của khí thải trong các thí nghiệm khác nhau. Đĩa 5 được đặt trên lưới 4 để thu thập parafin chảy thủy tinh. Ngọn lửa nến 6, gắn trên một chiếc đĩa, được bao quanh bởi một ống trụ dài bằng kim loại hun khói 7. Rất ít ánh sáng thoát ra qua lỗ trên của nó (đủ xa ngọn lửa nến). (Trong các thí nghiệm của chúng tôi, quang thông đi qua lỗ chiếm khoảng 4% tổng công suất phát sáng do ngọn nến phát ra). Hầu như toàn bộ ánh sáng được xi lanh hấp thụ và chuyển thành nhiệt, tỏa ra không khí.

Để sưởi ấm bằng điện, chúng tôi đã sử dụng một biến trở dây (chứa đầy gốm sứ) có điện trở 550 Ohms và công suất danh định là 20 W (trong các thí nghiệm, công suất vượt quá đáng kể so với danh nghĩa và đạt ~ 50-120 W).

Để xác định nhiệt lượng đốt cháy của một ngọn nến, ngoài nhiệt năng của nó, bạn còn cần biết mức tiêu thụ parafin trên một đơn vị thời gian. Điều này có thể được thực hiện bằng cách cân lượng parafin thu được trên đĩa và đo thời gian cháy của nến (~3-4 phút). Cần phải nhớ rằng lúc đầu quá trình đốt cháy sẽ không đứng yên. Tuy nhiên, thời điểm cài đặt chế độ Đứng yên rất dễ xác định bằng cảm biến nhiệt độ -

Hình 3.