Прибор для определения механического эквивалента тепла

 

Класс 42п, 11

X 51684

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, ВыдАнномУ нАРодным комиссАРиАтом тяжелой лРОмышленнасти о лос тле ССа

«В 3. Я. Елейнман.

Прибор для определения механического эквивалента тепла.

Заявлено 20 июля 1936 года за М 198165.

Опубликовано 31 августа 1937 года.

Определение механического эквивалента тепла является одной из важнейших практических работ в физической лаборатории. Получение точного значения механического эквивалента тепла при помощи известных несложных опытов в простой постановке сопряжено с значительными трудностями вследствие недостаточной точности метода измерения небольших количеств механической работы и большой погрешности при определении выделяющихся при этих опытах малых количеств тепла, сопровождаемых значительными потерямии.

Главные недостатки известных приборов для определения механического эквивалента тепла, например, прибора

Гримзеля, заключаются в неудобстве манипуляций с тяжелой гирей, в грубом способе отсчета высоты падения гири, в больших погрешностях, в незначительности развиваемой механической работы и т. п. Поэтому, если приборы этого типа можно применять для демонстрации в лекционной обстановке, то для удовлетворительной постановки соответствующей практической работы в лаборатории они мало пригодны как по своей конструкции, так и по качеству методов измерения величин, необходимых для определения механического эквивалента тепла.

Другие приборы (например, прибор

Пулуя), будучи более подходящим для практических работ, требуют точной установки отдельных частей, что усложняет пользование ими.

Наконец, иные приборы (например, Коллендера и Роуланда-Джауля), будучи более точными, чем прибор Пулуя, являются громоздкими установками и сложны по конструкции.

Предлагаемый прибор для определения механического эквивалента теплоты в значительной степени свободен от перечисленных недостатков.

Конструкция предлагаемого прибора поясняется чертежом, на фиг. 1 которого изображена в собранном виде основная 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 проекциях; на фиг. 9 †в сверху на калори метр (показанный с частично вырезанной крышкой).

Латунный цилиндрический сосуд А с полированной поверхностью, в дно которого вмонтирована латунная цилиндрическая трубка В, образует Komy :-:алориметра — основную часть прибора, в которой происходит превращение работы в теплоту. Нижняя более узкая (и толстостенная) часть трубки В играет роль подшипника для вертикального вращающегося стержня D; вся же эта трубка предотвращает возможность вытекания из сосуда А налитой в него жидкости.

Трубку В окружает полый латунный цилиндр С с полированной наружной поверхностью, наглухо скрепленный с латунным стержнем D, являющимся осью вращения цилиндра С. Стержень D пропущен через трубку В, а цилиндр С располагается внутри цилиндра А концентрично. Прибор приспособлен к обыкновенной центробежной машине, имеющейся почти во всех физических кабинетах и лабораториях; в верхнюю утолщенную часть металлического стержня Е вмонтирована эбонитовая втулка F, в которую ввинчивается нижний конец стержня D (фиг. 1), Втулка F служит для термической изоляции прибора. Стержень Е вставляется в патрон центробежной машины, при помощи которой осуществляется вращение стержня D u скрепленного с ним цилиндра С.

Крышка Н плотно надевается на цилиндр А и закрепляется посредством штифтов М (с нарезкой), вделанных в стенке цилиндра А и входящих, при надевании крышки, в вертикальные разрезы в ее бортиках. В крышке Н смонтирован штифт G с нарезкой и контргайкой, который, входя нижним своим концом в „подпятник" (углубление) в центре верхней части цилиндра С, обеспечивает правильное положение цилиндра А и вообще всей неподвижной части калориметра. Этот

„подпятник" и поддерживает неподвижную часть калориметра.

Трение происходит между боковой поверхностью вращающегося цилиндра С и неподвижно закрепленными тонкими латунными (0,2 ллю) пружинящими пластинками N. Прижатые к цилиндру С края пластинок N изогнуты соответственно кривизне этого цилиндра и имеют несколько разрезов для лучшего соприкасания с его поверхностью. Пластинки N можно закрепить внутри цилиндра A 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 каждая стойка свободно вращается в кольце К вокруг своей вертикальной оси; к этим стойкам прикреплены пластинки N; смонтированная таким образом деталь К, N, О помещается внутри цилиндра А. Верхние концы стоек О, проходя через соответствующие отверстия в крышке Н, несколько выступают над последней и имеют винтовую нарезку для закрепления их при помощи маленьких латунных гаек P (фиг. 1). Выступающие над крышкой концы стоек О имеют также неглубокие продольные разрезы, благодаря 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, получая таким образом, по желанию, большую или меньшую силу трения.

В калориметр налито масло (или глицерин), которое при трении нагревается; незначительная теплопроводность масла практически не играет никакой роли, так как благодаря быстрому вращению цилиндра С масло хорошо перемешивается; последнее обстоятельство исключает необходимость пользования специальной мешалкой. Так как трущиеся детали находятся в масле, то последнее, играя роль калориметрической жидкости, одновременно с этим способствует постоянству силы трения; Температуру жидкости (и калориметра) отсчитывают по термометру с делениями в 0,1, который введен в калориметр через специальное отверстие в крышке прибора. Погруженная в масло часть термометра находится между боковыми поверхностями цилиндров А и E.

Для определения силы трения в приборе применен динамометр (фиг. 9).

Основной частью динамометра является стальная спиральная 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 вращении шкива Q движется конец стрелки Z. Градуировку динамометра легко сделать (не пользуясь дополнительным блоком), поставив его вер-, тикально и подвешивая разновески, к нити Х, охватывающей шкив Q.

К шкиву Q прикреплен шнурок X (прочная нить), который, охватив этот шкив Q, идет к калориметру и, сделав вокруг последнего часть оборота, прикрепляется к штифтику 1, припаянному на поверхности цилиндра А (фиг. 3). Весь динамометр смонтирован на вертикальной металлической колонке, прикрепленной к стенке центробежной машины.

Помощью центробежной машины приводят стержень ED и цилиндр С во вращательное движение по часовой стрелке (если смотреть сверху, как показано на фиг. 9); вращение цилиндра С увлекает благодаря трению также и наружный сосуд калориметра; стремясь повернуться в том же направлении, что и цилиндр С, цилиндр А натягивает шнурок X и, вращая, таким образом, шкив Q, закручивает пружину S до тех пор, пока упругая сила закручивания этой пружины, уравновесив силу трения, не станет удерживать цилиндр А от дальнейшего вращения. Цифра на шкале L, против которой устанавливается при работе прибора стрелка динамометра, непосредственно дает величину силы F, приложенной к цилиндру А и удерживающей его от вращения. Очевидно, что момент этой силы, уравновешивающий вращающий момент наружного цилиндра калориметра, по величине равен моменту силы трения.

Так как при любом закручивании пружины шнурок Х и, следовательно, сила F направлены по касательной 1 к поверхности цилиндра А, то при лю- бом значении силы F момент (И этой силы равен: М=РВ, где R — радиус цилиндра А. Сила трения в предлагаемом приборе мало зависит от скорости вращения (если вращение не происходит очень медленно) и остается почти постоянной в продолжение значительного промежутка времени; стрелка динамометра устанавливается почти неподвижно, испытывая только совершенно незначительные колебания (дрожания).

Для производства опытов необходимо приводную ось прибора соединить со счетчиком оборотов. С этой целью на вертикально вращающемся валике центробежной машины сделана винтовая нарезка (на чертеже не показанная), которая ведет отсчетное зубчатое колесо с делениями. На отсчетном колесе имеется сто зубцов;, одному полному обороту этого колеса соответствуют сто оборотов стержня

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 or валика центробежной машины, а затем опять его придвинуть до зацепления с винтовой нарезкой на этом валике. Благодаря этому приспособлению можно, не вращая вертикальный стержень прибора, установить отсчетное колесо так, чтобы нулевые деления на нем совпали с неподвижным указателем; впрочем применение этого приспособления не обязательно.

Производство опыта и вычислений протекает следующим образом. Сначала определяют теплоемкость всей системы, подвергающейся нагреванию.

Для этого взвешивают калориметр (фиг. 1), собранный без термометра и без стержня E со втулкой; эту операцию легко выполнить, вынув калориметр из патрона центробежной машины и отвинтив от него деталь E, F, Можно также вес детали E, F определить раз навсегда, а при последую. щих опытах производить взвешивание всего прибора, не отвинчивая детали Е, F; разность между найденным весом и известным (данным за1(2 3f 4! 5 6 71 8 9f10,11f12f13)1415f1617f 18 f19f20f21f22 23 (24(2526

Номер наблюдения (0 2 4, 6 8/1012i14,1618I202224 2628 30,32 34 36i384042 44 f454850

Число оборотов ко леса счетчика

1, )

Сила F в г 72 71i70f70,70j70 70,7070i70f70,70,70;70,71 71f 71,5i71 71(71i72, 71 5,72 72 72,70, Fi+ F,+F,-+

+7 — 707 г ранее) весом детали Е, F даст общую массу m> латунных деталей, подвергающихся в процессе опыта нагреванию. Теплоемкость этой массы т, выразится через М, = с пг„где с— удельная теплоемкость вещества калориметра (латуни); теплоемкость М, есть величина постоянная для данного прибора.

Масло можно влить в калориметр, не снимая крышки, через отверстие для термометра; массу m> масла определяют, производя вторичное взвешивание калориметра, но уже с влитым в него маслом; при желании можно масло взвесить только один раз для большего числа опытов, ибо конструкция прибора прекрасно предохраняет масло от вытекания, разбрызгивания и испарения.

Теплоемкость масла выразится через М, = C тв, где С, — удельная теплоемкость данного масла.

Взвешивания достаточно производить с точностью до 0,01 г. Теплоемкость погруженной части термометра

М, определяют обычным путем. Общая теплоемкость всей системы выразится через М = М, + М, + М, = с, m, +

+ с2 mð+ Мз

Перед первым отсчетом температуры колесо центробежной машины немного поворачивают для того, чтобы шнурок Х несколько натянулся; колесо счетчика оборотов устанавливают так, чтобы нулевое деление на этом колесе приходилось против неподвижного указателя, затем делают отсчет температуры и начинают вращение; в начале вращения рекомендуется на один момент придержать рукой шнурок Х во избежание первого несколько резкого рывка пружины динамометра.

Опыт производят два экспериментатора. Один из них следит за счетчиком оборотов и делает нужные записи, второй вращает колесо центробежной машины и следит за стрелкой динамометра. Так как стрелка устанавливается в продолжение 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 трения может все-таки несколько измениться, то лучше сделать несколько отсчетов силы через определенные промежутки времени.

Шкала динамометра, градуированного на граммы силы, и постоянство силы трения 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; взяв среднее арифметическое из всех этих отсчетов, определяют таким образом среднее (за весь процесс опыта) значение силы Fсбольшей точностью,,чем при определении механического эквивалента тепла помощью прибора Пулуя.

Наблюдения ведут следующим образом. Первый наблюдатель, следя за счетчиком оборотов, дает знать второму наблюдателю о моментах прохождения нулевого деления колеса счетчика через неподвижный указатель; второй наблюдатель (вращающий колесо центробежной машины) в указанные ему моменты отсчитывает по шкале динамометра силу с точностью до 0,5 г, сообщая значения 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).

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

Когда стержень ED (и цилиндр С) сделает 3 — 4 тысячи оборотов, вращение прекращают и отсчитывают температуру; вращение (4 тысячи оборотов) продолжается 4 — э минут. При помощи штангенциркуля измеряют диаметр 2Р цилиндра А.

Ясно, что при одном обороте стержня ED (и цилиндра С) будет произведена работа: А, = 2-. FR; полная же работа при и оборотах выразится формулой: А = 2-.FRn.

Эта затраченная механическая работа превращается в эквивалентное количество тепловой энергии. Если температура повысилась на (t — t,), то количество тепла, полученное всей системой, подвергающейся нагреванию, выразится формулой:

Q = Л (t — tt), где Л вЂ” теплоемкость всей этой системы; таким образом Q = (с, т, + с.,т + Л,) (1., — t,).

Механический эквивалент тепла найдем из формулы

2-,. FR n (сд и + с, m., + И. 1 (t., — 1д)

Для выполненного образца теоретическая (вычисленная) относительная погрешность определения механического эквивалента тепла имеет порядок 2,6, . При этом на величину погрешности в определении,/ влияют, главным образом, погрешности в определении силы и температуры; поэтому эти две величины должны быть определены наиболее тщательно; метод определения силы был подробно изложен выше; термометр же должен быть точный с делениями в 0,1 .

Результаты же ряда опытов показали, что действительная погрешность в определении механического эквивалента тепла чаще всего значительно меньше, чем вычисленная „теоретическая" 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 для экспериментирования прибором Пулуя некоторыми преимуществами, из которых основные следующие:

1) рациональная и удобная конструкция динамометра и вообще более"удобный и точный метод определения силы трения и момента этой силы; можно заметить еще, что большая точность метода определения механической работы зависит также от большей точности измерения радиуса R (плеча силы): при работе с прибором Пулуя нужно для получения величины R измерить расстояние по эбонитовой дощечке от оси конусов до места прикрепления шнурка; относительная погрешность при этом измерении может достигать 1о/о; при работе с предлагаемым прибором величину 2R находят, измерив диаметр цилиндра А, а это измерение легко выполнить с точностью до 0 2 — 03о о;

2) применение более простого счетчика оборотов;

3) в предлагаемом приборе наружный цилиндр, непосредственно соприкасавшийся с окружающим воздухом, остается в процессе опыта неподвижным, между тем, как в приборе Пулуя вращается наружный конус, что несомненно способствует увеличению тепловых потерь;

4) более рационально осуществлена в новом приборе термическая изоляция калориметра от центробежной машины, крепление ротора прибора и другие особенности конструкции; в то же время конструкция прибора достаточно проста как с точки зре ния изготовления его, так и произ водства опыта.

По сравнению с приборами Коллендера и Роуланда-Лжауля описываемый прибор обладает (с точки зрения применения для физического практикума) такими существенными преимуществами, как большая простота конструкции, малые размеры, портативность; весь прибор легко приспособить к обыкновенной центробежной машине.

Благодаря достаточно высокой точности методов измерения и другим качествам, описанным выше, предлагаемый прибор мо>кет быть с успехом использован для производства соответствующего эксперимента, особенно для физического практикума в институтах и средней школе, С

У (У

"|ф \

CL тиг.4

;„д

Д

r и ® О

Предмет изобретения.

Прибор для определения механического эквивалента тепла, состоящий из двух концентрических цилиндров, из которых внешний выполнен поворотным, связан механически с пружинным дина мометром и наполнен калориметрической жидкостью, в ко торую погружен термометр, а внутренний выполнен вращающимся с трением в калориметрической жидкости и служит для ее нагревания, отличающийся тем, что внешний цилиндр А, Н снабжен пружинными пластинками N, прижимающимися к внутреннему цилиндру С, и расположенной внутри последнего трубкой В, сквозь которую пропущена ось D внутреннего цилиндра С,с той целью, чтобы жидкость нагревалась и внешний цилиндр поворачивался на оси D вследствие трения пластинок о поверхность внутреннего цилиндра.

Тнп. „Г1ечатный Труд". Зак. 5393--250