氣體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定研究

1、第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集 氣體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定研究 蔣林華，應(yīng)雄純 （湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江湖州 湖州師范學(xué)院理學(xué)院，浙江湖州） 摘要：在熱線溫度和測(cè)量氣壓相對(duì)恰當(dāng)?shù)那闆r下，采用準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)量方法，可減弱低氣壓端對(duì)流的影響文章分析了實(shí)驗(yàn)圖像在低氣壓端呈現(xiàn)非線性的原因，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的改進(jìn)方案，指出當(dāng)氣壓范圍為時(shí)，實(shí)驗(yàn)誤差可以控制在以內(nèi) 關(guān)鍵詞：熱線法，線性外推法，氣體導(dǎo)熱系數(shù)，低氣壓，對(duì)流，準(zhǔn)靜態(tài)引言 氣體導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體傳熱性質(zhì)的物理量，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的基本方法，采用“熱線法”在低氣壓條件一卜進(jìn)行，通過線性外推求出干燥空氣的氣體導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)潔、直

2、觀，操作簡(jiǎn)便但定量分析實(shí)驗(yàn)誤差和最佳實(shí)驗(yàn)參量的資料較少，因此，如何評(píng)價(jià)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方案和結(jié)果，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中亟待解決的一個(gè)問題“熱線法刀測(cè)量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的工作原理 實(shí)驗(yàn)采用“熱線法”測(cè)量氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，用熱線恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)維持鎢絲溫度恒為每秒氣體熱傳導(dǎo)所耗散的熱量，等于鎢絲的溫度恒為時(shí)所耗散的電功率不同氣體由于導(dǎo)熱系數(shù)不等，維持鎢絲溫度恒定所消耗的電功率也不等，故可以通過測(cè)量鎢絲消耗的電功率求算氣體的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)鎢絲的半徑為，測(cè)量室的內(nèi)半徑為，鎢絲的溫度為，長(zhǎng)度為，室溫為取距熱源鎢絲軸線處的一薄層圓筒狀氣體層，設(shè)其厚度為，長(zhǎng)度為，內(nèi)外圓柱面的溫度差為，每秒通過該柱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃繛?，參見圖，

3、根據(jù)傅里葉定律有： 進(jìn)氣口 出氣口 圖 測(cè)量室結(jié)構(gòu)圖 詈心一蕓砌兒 改寫為：作者簡(jiǎn)介：蔣林華（一），男，浙江嘉興市人，湖州師范學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師研究方向：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 第日屆全國(guó)高等學(xué)校物日實(shí)駱赦學(xué)矸討會(huì)論文囂 。坐九 兩邊積分得到 弘 （）（，一） 蓋掣 其中即為持求的氣體導(dǎo)熱系數(shù)上止（）中，為儀器常數(shù)，測(cè)苗室內(nèi)璀溫度可近似看作等于室溫對(duì)于度為的鎢絲，不同溫度時(shí)它的電阻值并不相等只要預(yù)先標(biāo)定耗鎢絲的溫度根據(jù)材料電阻率與扭應(yīng)的戈系便可通過刪蜮鎢絲的阻值求出它的溫應(yīng)”實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)采州 氣體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀外形寓物幽如幽所示 幽 一 氣體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀 儀器各部件名稱 、三通：、測(cè)顰室：、三通 測(cè)壯空

4、電壓表：、氣壓表：、電源指示柏翌蘭饕飄薔毖蓋； 直空計(jì)校準(zhǔn)（，）：、真空計(jì)枝準(zhǔn)（一）； 洲城室也螈開芙： 、真空泵源開關(guān)真空泵、刪簟室電流表，、計(jì)蒯實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)測(cè)量 氣體樣品為干燥的空氣，在 帕（乇）范圍內(nèi)測(cè)出不同氣壓時(shí)鎢絲兩端的電壓及電流所測(cè)四組數(shù)據(jù)分別記錄到表、表、表、表中，并進(jìn)行運(yùn)算： 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集 表：不同氣壓下鎢絲兩端的電壓及電流（哪 （） （） （） （） （） （） 。（） 。 ? 。 表：不同氣壓下鎢絲兩端的電壓及電流 （） （） （） （） （） （） （） （） 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集 表：不同氣壓下鎢絲兩端的電壓

5、及電流（） （） （） （） （） （） （） （） ? 表：不同氣壓下鎢絲兩端的電壓及電流（） （） （） （） （） （） （） （） 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討奈論文暴 表格說明： 表格中，穢，一空， 真空時(shí)消耗熱量：空宅 空 （） 測(cè)量室參數(shù)（由實(shí)驗(yàn)室給出）： 熱線長(zhǎng)度，熱線零度電阻值 ， 熱線直徑，測(cè)量室內(nèi)壁直徑 之間的平均導(dǎo)熱系數(shù) 將以上數(shù)據(jù)代入公式（）中可以求得之間的平均導(dǎo)熱系數(shù) 第一組結(jié)果： ：一 ：望坐！壘型 （ 一 （，一瓦） 。（正一疋） （） （） （七） 第二組結(jié)果： ，：望蘭！呈！壘！壘：！孕?。海。喝?；（，一疋） 。（互一疋） （） （） （妨 第三組結(jié)

6、果： ，：望蘭！呈（壘塑：！擎?。旱。禾m （，一疋） 叫 ：（正一疋） （） （） （老） 第四組結(jié)果： 。：坐叢壘盟：！善?。海。?！絲！一 （，一疋） 。 （互一疋） （） （） （老） 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集 間平均導(dǎo)熱系數(shù)的理論值 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有關(guān)，而導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的依賴關(guān)系較復(fù)雜，可由簡(jiǎn)單關(guān)系（）尼近似計(jì)算，則、”間的平均導(dǎo)熱系數(shù)： 詁壺酗）坨 素爭(zhēng)嘉箐 瓦一瓦 ” 詹爭(zhēng)嘉箐蝎 ，三蘭：蘭蘭：?。憾属~：！：?。?（）實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差 實(shí)驗(yàn)研究與改進(jìn) 按實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)好儀器，當(dāng)室溫”時(shí)，關(guān)閉三通，啟動(dòng)真空泵，將系統(tǒng)抽真空至帕后，氣壓表置零。讀得真空 。真空，則 然

7、后關(guān)閉真空泵，使空氣緩慢地通過針閥進(jìn)入測(cè)量室在”乇之間，每隔乇記錄一組不同壓強(qiáng)下的，值，作，叫低曲線。如圖，可見曲線在低氣壓端璺現(xiàn)向一彎曲的現(xiàn)象作線性擬合外推交于縱軸，得到（）， （計(jì)算此值時(shí)，考慮實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的影響，乘系數(shù)。作為修正）：義根據(jù)熱線”電阻值 ，計(jì)算出熱線工作溫度為（凡粕）（髓產(chǎn)代入公式（）， 得到干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為（七），（七）”（后）， 一 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集（七）而，的平均導(dǎo)熱系數(shù)的理論值為： 素爭(zhēng)嘉箐 實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差分別為，和 ， 圖 一一一低擬合圖 圖 一一低擬合圖 對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)操作，得出多組數(shù)據(jù)，從中抽取四組數(shù)據(jù)作出。一叫低擬合圖，可觀察到均呈現(xiàn)出如圖、圖所示的非線性特征，最佳線性擬合方程為：。，。， 。，。加 進(jìn)一步結(jié)合圖像和處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在氣壓部分（即），幾乎所有的點(diǎn)都呈現(xiàn)線性，最佳線性擬合方程分別為：以叫，”，一 ：而在氣壓部分的點(diǎn)則星現(xiàn)出相對(duì)較明顯的非線性特征，如圖、圖所示（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表） 。 圖 一一低擬合圖 圖 一一一低擬合圖 第四屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集