J9測(cè)定氣體導(dǎo)熱系數(shù)

1、實(shí)驗(yàn)九 測(cè)定氣體導(dǎo)熱系數(shù) 物理學(xué)為衡量物質(zhì)傳導(dǎo)熱的性質(zhì)設(shè)置了導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)代表該物質(zhì)的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱系數(shù)大的物質(zhì)為熱的良導(dǎo)體；導(dǎo)熱系數(shù)小的物質(zhì)為熱的不良導(dǎo)體。水的導(dǎo)熱性能好，氣體的導(dǎo)熱性能差。在氣體中不同的氣體，導(dǎo)熱性能相差懸殊。比如氦和氫的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大67倍，說(shuō)明氦的導(dǎo)熱能力比空氣大67倍。在氣相色譜分析中，氣體導(dǎo)熱系數(shù)這一熱學(xué)性質(zhì)被用來(lái)鑒別不同的氣體?！盁峋€法”是測(cè)量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的基本方法。為了減少氣體對(duì)流傳熱的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量在低氣壓下進(jìn)行，然后通過(guò)線性外推求算實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹縧掌握用熱線法測(cè)定氣體導(dǎo)熱系數(shù)的基本原理和正確方法。2掌握低真空系統(tǒng)的基本操作。 3學(xué)習(xí)應(yīng)用“線性回

2、歸”和“外推法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理?！緦?shí)驗(yàn)原理】 l“熱線法”測(cè)量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的原理“熱線法”是在樣品（通常為大的塊狀樣品）中插入一根熱線。測(cè)試時(shí)，在熱線上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升。測(cè)量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。由于被測(cè)材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)將待測(cè)氣體盛于沿軸線方向裝有一根鎢絲的圓柱形容器內(nèi)(如圖1)，該容器稱為測(cè)量室。并給鎢絲提供一定的電流使其溫度為，設(shè)容器內(nèi)壁的溫度近似為室溫。由于， 容器中的待測(cè)氣體必然形成一個(gè)沿徑向分布的溫度梯度，由于待測(cè)氣體的熱傳導(dǎo)，將迫使鎢絲溫度下降，因而無(wú)法維持測(cè)量室中溫度梯度的穩(wěn)定狀

3、態(tài)。只有設(shè)法維持鎢絲的溫度恒為，容器內(nèi)待測(cè)氣體的溫度分布才能保持為穩(wěn)定的徑向分布的溫度場(chǎng)。圖1 本實(shí)驗(yàn)就是用熱線恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)維持鎢絲溫度恒為。這樣，每秒鐘由于氣體熱傳導(dǎo)所耗散的熱量就等于維持鎢絲的溫度恒為時(shí)所消耗的電功率。不同氣體的導(dǎo)熱性能(導(dǎo)熱系數(shù))不同，則維持鎢絲溫度恒為所消耗的電功率也不同，因而可以通過(guò)測(cè)量鎢絲消耗的電功率來(lái)求算待測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。 圖1是測(cè)量室的示意圖，假設(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。距熱源鎢絲處取一薄層圓筒狀氣體層，設(shè)其厚度為，長(zhǎng)為，內(nèi)外圓柱面的溫差為，每秒鐘通過(guò)該柱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃繛?，根?jù)傅里葉定律有：它可改寫為： 兩邊積分得：

4、則 （1）其中就是要求的氣體導(dǎo)熱系數(shù)。上式中，為儀器常數(shù)，測(cè)量室內(nèi)壁溫度可以近似地看作室溫，問題是與怎么測(cè)定？我們知道，只有不斷地為鎢絲提供電能，才能保持鎢絲的溫度恒定為，且每秒種通過(guò)氣體圓柱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃渴聦?shí)上就等于鎢絲所耗散的電功率，而電功率的測(cè)定可通過(guò)測(cè)量鎢絲兩端的電壓和流經(jīng)鎢絲的電流獲得：。對(duì)于長(zhǎng)度為的鎢絲而言，在不同溫度時(shí)，它的電阻值是不相同的，只要預(yù)先標(biāo)定好鎢絲的溫度，根據(jù)材料電阻率與溫度的關(guān)系，便可通過(guò)測(cè)量鎢絲的電阻率而求出它的溫度。 2修正項(xiàng)(1) 鎢絲耗散的總功率，除氣體傳導(dǎo)的熱量之外，尚有鎢絲熱輻射以及聯(lián)接鎢絲兩端的電極棒的傳熱損失。倘若將測(cè)量室抽成真空(低于0.133帕或乇

5、)，此時(shí)為保持鎢絲的溫度仍為所消耗的電功率，將主要用于鎢絲的熱輻射與電極棒的傳熱損失，它等于： 故氣體每秒鐘所傳導(dǎo)的熱量(指低氣壓條件下氣體每秒鐘傳導(dǎo)的熱量)應(yīng)為： 在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量室的外管壁溫度會(huì)有所提高，帶來(lái)的系統(tǒng)誤差是使值偏小。為了消除這一系統(tǒng)誤差，經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在以上公式中用乘1.2的系數(shù)加以修正即可： （2）(2) 為了減少氣體對(duì)流傳熱的影響，測(cè)量應(yīng)在低氣壓(或)條件下進(jìn)行。因?yàn)樵诘蜌鈮旱那闆r下，通過(guò)算出的(低氣壓下的氣體導(dǎo)熱系數(shù))和測(cè)量時(shí)測(cè)量室內(nèi)的壓強(qiáng)存在著下述關(guān)系： （3） 從公式(1)可見與成正比(因?yàn)?，為儀器常數(shù)，、在測(cè)量中為恒定值)，因此公式(3)中的和可以用和

6、來(lái)代替，只是系數(shù)A要轉(zhuǎn)換為另一系數(shù)，于是可將公式(3)改寫為如下的形式： （4） 本實(shí)驗(yàn)是在不同壓強(qiáng)（）的情況下，測(cè)出相應(yīng)的，然后以為橫坐標(biāo)，l為縱坐標(biāo)作圖，所得到的實(shí)驗(yàn)曲線將近似為一直線。此直線在縱坐標(biāo)上的截距即為l，這就是所謂用外推法求值，將所得的代入(1)式，便得到欲求的氣體在之間的平均導(dǎo)熱系數(shù)。 綜上所述，測(cè)量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的過(guò)程，實(shí)際上就是測(cè)量不同低氣壓(P)情況下相應(yīng)的，這里()，通過(guò)與l 作圖求出截距l(xiāng)，將及已知的、代入(1)式而求出氣體在之間的平均導(dǎo)熱系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)裝置】實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖及各部分的作用如下：熱線恒溫調(diào)節(jié)電位器：用于設(shè)定鎢絲(熱線)初始溫度的高低，并通過(guò)儀器自動(dòng)恒溫控制

7、系統(tǒng)保證在不同氣壓條件下熱線均保持同一溫度設(shè)定值。測(cè)量室：作為待測(cè)氣體的存貯與測(cè)量空間；真空計(jì)：用于測(cè)量系統(tǒng)的真空度；干燥塔：用于對(duì)待測(cè)氣體干燥除濕，同時(shí)緩沖系統(tǒng)氣壓變化速率，從而保護(hù)電子真空計(jì)的壓力傳感器；針閥：用于調(diào)節(jié)待測(cè)氣體的進(jìn)氣速率(注意：該閥僅用于流量的調(diào)節(jié)，而不可作為截止閥使用)；三通I：用來(lái)轉(zhuǎn)換l、2接通(真空泵對(duì)系統(tǒng)抽氣狀態(tài))或l、3接通(真空泵進(jìn)氣口通大氣狀態(tài)，以免真空泵回油)；三通II：可轉(zhuǎn)換4、5接通(針閥控制進(jìn)氣狀態(tài))或4、6接通(系統(tǒng)直接通大氣狀態(tài))。若三通I為l、2接通，三通II為關(guān)閉狀態(tài)，則此時(shí)對(duì)測(cè)量室及全系統(tǒng)抽氣。 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 l 系統(tǒng)校準(zhǔn)和熱線溫度的設(shè)定 (

8、1)熟悉氣體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的基本結(jié)構(gòu)，了解面板上各開關(guān)、旋鈕等的功能，特別注意三通I和三通II的旋轉(zhuǎn)操作。(2) 電子真空計(jì)的校準(zhǔn)。從實(shí)驗(yàn)室提供的氣壓計(jì)上讀取當(dāng)時(shí)的大氣壓值。閉合儀器電源總開關(guān)，系統(tǒng)通大氣。將儀器上電子氣壓計(jì)的讀數(shù)，設(shè)置為當(dāng)時(shí)的大氣壓值。（通過(guò)面板上的真空計(jì)校準(zhǔn)按鈕“+”或“-”調(diào)整）儀器自動(dòng)將校正后數(shù)據(jù)保存。 (3)調(diào)節(jié)熱線的恒定溫度。將測(cè)量室的鎢絲用導(dǎo)線與儀器上兩個(gè)接線柱相聯(lián)。打開電壓表，緩緩調(diào)節(jié)鎢絲的溫度選擇旋鈕，從電壓表和電流表上讀出鎢絲的和，并估算鎢絲的電阻值，使它的電阻值達(dá)到左右(對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)特別大的氣體，如氫氣，電阻值要適當(dāng)再調(diào)低一些，以免測(cè)量時(shí)超出電表量程)。

9、2測(cè)量鎢絲熱輻射與電極捧傳熱耗散的電功率 (1) 預(yù)抽真空三通II旋至4(即旋鈕尖端指向關(guān)閉)，開動(dòng)真空泵，三通I旋至l、2相通(即旋鈕尖端指向系統(tǒng))，抽氣約20分鐘，從數(shù)字式真空計(jì)讀數(shù)觀察系統(tǒng)的真空度，應(yīng)使真空度達(dá)到約O.1333帕（或托）。（2）真空計(jì)零值校準(zhǔn)。系統(tǒng)抽到0.1333帕（托）數(shù)量級(jí)的低氣壓，按置零按鈕數(shù)字顯示為零即可，本系統(tǒng)以此值作為真空看待。注：此值為一般機(jī)械真空泵的極限真空度。實(shí)際測(cè)量時(shí)，一般以熱絲耗散功率小于O.20作為系統(tǒng)的真空對(duì)待。例如，在的設(shè)置值為時(shí)，只要系統(tǒng)抽氣到電壓表顯示值小于時(shí)，則系統(tǒng)就基本滿足真空要求。此時(shí)，可按真空計(jì)的置零按鈕，使真空計(jì)“置零”。（3）測(cè)

10、量值 在真空度約0.1333帕(或乇)時(shí)測(cè)出熱線兩端的電壓及流過(guò)它的電流。 即為非氣體導(dǎo)熱所消耗的熱功率。注意：如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間沒有使用，或者系統(tǒng)漏氣較多，系統(tǒng)不易達(dá)到所要求的真空度，應(yīng)仔細(xì)檢查系統(tǒng)各氣路接口有否漏氣并予以排除，必要時(shí)可拔下兩個(gè)三通閥的閥芯，清洗后涂上新的真空脂，在排除系統(tǒng)內(nèi)部吸附的氣體后，系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到所需的真空度。 3測(cè)量干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)鑒于測(cè)量時(shí)待測(cè)氣體的氣壓應(yīng)為帕(乇)的低氣壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將待測(cè)氣體注入抽空了的測(cè)量室，通過(guò)控制針閥的漏氣率注入部分氣體來(lái)控制氣壓，使之符合上述范圍。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是測(cè)出不同氣壓值時(shí)，鎢絲兩端的電壓及流經(jīng)鎢絲的電流。具體步驟如下；(1) 測(cè)量后，測(cè)量

11、室處于真空狀態(tài)，校準(zhǔn)好真空計(jì)零點(diǎn)。將三通II旋至4、5聯(lián)通繼續(xù)把三通II至針閥之間的管路中的殘余氣體的氣壓抽到l乇以下。(2) 接著關(guān)閉三通II 。將三通I從l、2聯(lián)通的位置旋轉(zhuǎn)到l、3聯(lián)通，關(guān)閉真空泵。(3) 旋轉(zhuǎn)三通II至4、5聯(lián)通(即旋鈕尖頭指向針閥)，使干燥氣體經(jīng)過(guò)針閥緩慢進(jìn)入抽空了的測(cè)量室。針閥用來(lái)控制干燥空氣的進(jìn)入。(注意：漏率的大小，要以實(shí)驗(yàn)人員在乇的氣壓范圍內(nèi)，能及時(shí)讀取并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)為宜，該閥非常精密，應(yīng)在教師指導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)節(jié)，請(qǐng)同學(xué)們自己不要隨意調(diào)節(jié)，以免損壞針閥)。(4) 系統(tǒng)氣壓緩慢地升高，當(dāng)氣壓到達(dá)1乇左右，測(cè)定出一組相應(yīng)的電壓值與電流值，以后每間隔O.5乇左右測(cè)量一組

12、數(shù)據(jù)，只要在乇的范圍內(nèi)，均勻地讀取十幾組數(shù)據(jù)并分別記錄到表格內(nèi)即可。注意：1為了避免真空泵回油，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中或?qū)嶒?yàn)結(jié)束時(shí)，只要真空泵停機(jī)時(shí)，都應(yīng)該及時(shí)將三通I轉(zhuǎn)到l、3位置，旋鈕尖端指向空氣，使其進(jìn)氣口通大氣。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果不注意(或操作不熟練)，把過(guò)多的氣體放入系統(tǒng)內(nèi)，這時(shí)可以參照上面操作步驟，用真空泵把系統(tǒng)內(nèi)氣壓重新抽到實(shí)驗(yàn)需要值再繼續(xù)測(cè)量?！緮?shù)據(jù)記錄與處理 】數(shù)據(jù)記錄表（見下表）測(cè)量次數(shù)真空時(shí)123······19氣壓電壓電流2數(shù)據(jù)處理：（1） 外推法求。鑒于是線性方程，故以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作出一條直線，該直線

13、在縱軸上的截距即。因此可求出常壓下在溫度之間氣體耗散的平均熱功率值。（2） 求與。實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫可近似地作為測(cè)量室的壁溫。熱線溫度可通過(guò) 求出。式中 ； 鎢絲在C時(shí)的電阻值； 為實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)的熱線電阻(即熱線恒溫為時(shí)的電阻)； 為溫度系數(shù)。（3） 求之間的平均導(dǎo)熱系數(shù)。依實(shí)驗(yàn)室給出的和，再根據(jù)求出的、，利用(1)式 即可求出空氣在間的平均導(dǎo)熱系數(shù)。（4）求間平均導(dǎo)熱系數(shù)的理論值，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值對(duì)比求實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有關(guān)，從手冊(cè)中可查出0時(shí)某些氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，如下表：氣體空氣（干燥）氫氣二氧化碳氧氣氮?dú)鈺r(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)2.3813.81.382.342.34 由于導(dǎo)熱系數(shù)和溫度的依賴

14、關(guān)系比較復(fù)雜，要由精確計(jì)算出各溫度下的是比較困難的，但如下的簡(jiǎn)單關(guān)系可以近似成立： 由此可以計(jì)算出間的平均導(dǎo)熱系數(shù)： 將所得的之間的平均導(dǎo)熱系數(shù)與值比較，即可求出測(cè)量的相對(duì)誤差： 3測(cè)量氫氣或其它氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 基本操作方法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相同，但須注意： (1)待測(cè)氣體樣品由針閥及三通II的4、5接通放入測(cè)量室。 (2)氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)特別大，為避免電表讀數(shù)超量程，熱線的設(shè)定電阻值應(yīng)降到，而且在向測(cè)量室充氣時(shí)可切斷對(duì)熱線的電壓輸出(避免電表讀數(shù)將因超量程而溢出)，待稍稍抽氣后再接通熱線電壓。 【思考題】開啟或停止真空泵之前應(yīng)該注意什么問題?使用電子式真空計(jì)應(yīng)注意哪些問題?為什么要先測(cè)量低氣壓下氣體的

15、傳熱數(shù)據(jù)，再用外推法去求常壓下的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)？4為何要測(cè)量真空條件下鎢絲耗散的電功率? 5為何要避免系統(tǒng)一邊進(jìn)氣一邊抽氣?【附錄】FB202氣體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀操作程序 l在真空泵與主機(jī)接通及220V電源接通的基礎(chǔ)上，接通測(cè)量室的“+”“-”輸出端。 2將抽氣閥置于“大氣”位置。 3打開主機(jī)左側(cè)的電源開關(guān)，將放氣閥置于“大氣”位置，此時(shí)，主機(jī)上左側(cè)的數(shù)顯表頭所顯示的數(shù)字為大氣壓數(shù)，通過(guò)“+”“-”按鈕校正大氣壓的數(shù)為760，再將放氣閥置于“關(guān)閉”位置。1、三通I 2、測(cè)量室 3、三通II 4、針閥 5、氣壓表 6、測(cè)量室電壓表 7、測(cè)量室電流表 8、電源總開關(guān) 9、電源指示燈 10、真空計(jì)置零按鈕 11、12 真空計(jì)校準(zhǔn)+、- 13、真空計(jì)單位轉(zhuǎn)換 14、測(cè)量室溫度設(shè)置 15、測(cè)量室電源開關(guān) 16、真空泵電源開關(guān) 4將主機(jī)面板上的扭子開關(guān)打向“輸出”，調(diào)整“溫度選擇”旋鈕，觀察中間及右邊的數(shù)顯表，(即熱絲