实验圆球法测定粒状材料导热系数
一、实验目的
1.掌握在稳态条件下,用圆球法测粒状材料导热系数的基本原理
和方法以及实验装置的结构;
2.加深对傅立叶定律的理解,巩固所学热传导的理论;
3.学会使用电位差计。
二、实验原理
两个直径不同的薄壁空心圆球,同心放置,两球之间充满一定密度、需要测定的粒状材料,内球的内部装有一个电加热器,通电加热时,其产生的热量Q将沿着圆球表面的法线方向通过颗粒状材料向外传递。b5E2RGbCAP
假定内球壁面温度为t1,外球壁面温度为t2,球面各点温度均匀,且t1> t2,当加热时间足够长、温度不随时间变化时,说明装置已达到稳定状态,根据球坐标下的稳定导热傅立叶定律有:p1EanqFDPw
<1)
对于大多数材料来说,在一狭窄的温度范围内<约几十度)可以认为导热系数随温度作直线变化,即:
<2)
式中:—在0℃时材料的导热系数;
b—比例常数。
将式<2)代入式<1),得:
<3)分离变数后积分:
当,时,
当,时,
从上两式消去C得:,可得到球体处于稳定导热时,傅立叶定律的积分形式:
<4)即
<5)式中:,
从式<4)可看出,只需测出球内外径d1、d2,热流Q及球内外表面温度t1、t2即可得到。
若要求解温度系数b,可采用调节加热功率的方法,在另一个加热工况下测定t1、t2,求得另一个tar,利用式<2)有,可得比例常数b的表达式:DXDiTa9E3d
<6)
三、实验装置
如图示:装置的主体由两个壁很薄的空心同心铜质球组成,内球直径d1为80 mm,外球直径d2为160mm,内球内部装有电加热器,两球间装满实验材料<粒状物体),当全体系达到稳定后,由电加热器产生的热量Q将全部通过中间粒状物质面传给外球表面,然后再通过外球表面传给周围的空气。RTCrpUDGiT
图1 圆球法导热系数测量装置结构示意图
图上内球表面装有三个热电偶,对应测温点t1~t6分别为三个热电偶测外球表面的温度。
四、实验步骤
1.将电位差计、电流表、电压表,按图接好。
检查无误后,闭合电路加热,并调整到所需功率,每隔5分钟记录一次,待全体系达到稳定后,即内外球表面的温度不再改变时,取得后三次数据的平均值进行计算。5PCzVD7HxA
3.改变加热电压,重复上述实验。
五、实验报告
1.简述球体法的实验原理,你认为达到该原理所要求的条件最关
键部分是什么?
2.简述实验装置的结构原理<包括实验装置系统图)。
3.给出所有测量仪表的原始数据记录,记下各个仪表的精度等
级。
4.计算材料的导热系数,整理实验结果。
六、思考题
1.查阅文献,了解绝热材料导热系数的数量级。
2.能否用这个装置测量金属、液体或者气体的导热系数?
3.能否用这个装置测量自然对流换热系数?
4.若实验装置做成两个内外方箱子是否可行?为什么?
5.为什么要待稳定后的数据才能用?
6.你对该装置及实验方法有何评价,谈谈你的改进设想。
7.
8.申明:
9.所有资料为本人收集整理,仅限个人学习使用,
勿做商业用途。
10.
11.
导热系数的测量实验精选报告.doc
导热系数的测量 【实验目的】 用稳态法测定出不良导热体的导热系数,并与理论值进行比较。 【实验仪器】 导热系数测定仪、铜- 康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤 ( 公用 ) 、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 【实验原理】 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、 T2的平行平面(设T1>T2),若平面面积均为 S,在t 时间内通过面积S 的热量Q 免租下述表达式: Q S (T 1 T 2 ) (3-26-1 ) t h 式中,Q 为热流量; 即为该物质的导热系数,在数值上等于相距单位长度的两平面t 的温度相差 1 个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是W (m K ) 。 在支架上先放上圆铜盘P,在 P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜盘 A 放在B 上,发热器通电后,热量从 A 盘传到 B 盘,再传到 P 盘,由于 A,P 都是良导体,其温度即可以代表 B 盘上、下表面的温度 T1、T2,T1、 T2分别插入 A、P盘边缘小孔的热电偶 E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G, 切换 A、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1 )可以知道,单位时间内通过待测样品 B 任一圆截面的热流量为 Q (T1 T2 ) R B2 (3-26-2) t h B B B 1 2 的值不变,式中, R 为样品的半径, h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时, T 和 T 遇事通过 B 盘上表面的热流量与由铜盘 P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜 2 的散热速率来求出热流量Q 。实验中,在读得稳定时 1 2 盘 P 在稳定温度 T t T 和 T 后,即可将 B 盘移去,而使 A 盘的底面与铜盘 P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的 T2值若干摄氏度后,在将 A 移开,让 P 自然冷却。观察其温度T 随时间 t 变化情况, 然后由此求出铜盘在T2的冷却速率T T , 而 mc , 就是铜盘 P 在温度为 T2时的散t T T2 t T T2 热速率。但要注意,这样求出的T 是铜盘 P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率,t T T2 其散热表面积为 2 R B2 2 R P h P。然而,在观察测量样品的稳态传热时,P盘的上表面是被样品覆盖着的,并未向外界散热,所以当样品盘 B 达到稳定状态时,散热面积仅为:
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样,只要测量低温侧
铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R