实验一 物体在空气中的冷却规律.doc

实验一 Bi0.1的物体在空气中的冷却规律 一、实验目的1 验证Bi0.1的物体在无限大介质中冷却时，温度只随时间变化，与空间坐标无关。2 测绘出铜柱在空气中冷却时的温降曲线并与理论计算结果比较。二、实验原理一个Bi0.1的物体，初始温度为t0,突然置于温度为常数的无限大介质中冷却，根据能量守恒定律，放出的热量应等于物体本身能量的减少，即： (1)式中：h 物体表面与介质间的放热系数（W/(m2) A 物体的表面积（m2） 冷却时间（分） t介质温度（） c 物体比热（J/(kg)） 物体的材料密度（kg/m3） V 物体的体积（m3） t 对应于时刻的物体温度（）（1）式积分可得： （2） （2）式是在假定物体冷却时，物体内部各点温度相同的情况下推倒出来的，它表明，物体的温度只随时间变化，与空间坐标无关。这中求解方法称为集总热容法。本实验通过测定铜柱在空气中冷却时温度随时间的变化，验证上述假设是正确的。做出铜柱的温降曲线并按（2）式计算结果做出温降曲线，比较两者间的差别。三、实验设备1铜柱悬挂架 1个2铜柱 1个3UJ36型电位差计 1台4电热器（电炉） 1个 5烧杯 1个6冰瓶 1个7秒表 1只8切换开关 1个9电烙铁 1把10量具、工具 若干11镍铬-考铜热偶线 若干四、实验方法 实验装置由铜柱，悬挂架和测量仪表组成。铜柱悬挂在支架上，以便放入烧杯中加热或放在空气中冷却。 铜柱中部钻有两个小孔（如图21所示），可在中心和边缘位置上装入热电偶，用来测量铜柱在冷却过程中中心和边缘位置。不同时刻的温度，以验证Bi0.1的物体在空气中冷却时，柱中心和边缘的温度是基本上相同的，即物体的温度与空间的坐标无关，只是时间的函数。 实验时两人一组，自己焊接热电偶，连接测温线路。具体步骤如下：1测出铜柱的有关数据，包括直径、高度、质量等。比热可从教材中查出，密度由所测数据计算得到。2把热电偶焊接到铜柱上，并接好测温线路。为了交替测量柱中心和边缘点的温度，要求把中心点和边缘点的热点偶焊接到切换开关上。3把铜柱置于烧杯中，加热至水沸腾至五分钟后，测量铜柱初始温度t0和室温tf。4迅速将铜柱从水中提出，同时按下秒表计时，并把铜柱上端积水用棉纱吸干，关掉电热器（电炉），把烧杯移开。5按表2-1中要求的时间测量铜柱的温度（即测量热电势，然后查出温度），中心点和边缘点交错测量。测量时要保证所测电势与时间一一对应。测完后再测一次室温。6试验结束后把仪器恢复原状。7查出热电势对应的温度，记下所用铜柱的有关数据，室温取两次测量的平均值。五、实验报告1实验装置简图、铜柱数据，测试记录及对应的温度（以表21的形式给出）。2在直角坐标纸上做出中心点和边缘点的温降曲线。温度t为纵坐标，时间为横坐标。若试验结果正确，两条温降曲线应基本重合。3计算放热系数h。因为在整个冷却过程中h是变化的，不同时刻有不同的值。而公式（2）中的h为平均值，所以在使用公式（2）是必须先求出h。求h可以有不同的方法。如取算术平均值，线性回归等，可由任课教师确定。线性回归的方法是：对（2）式两边取自然对数： (3) （4）因t, t, h, c，V均为常数，也作为常数，所以温度t只是时间的函数。若令 (5) (6)代入式（3），则有：y=bx (7)(7)式即为线性回归方程式。把所测中心点的温度和对应的时间依次代入（5）式，可求出n组y、x值，用作图法或线性回归法计算出回归系数b，再由b求出h，即： （8）4检查Bi数，分析中心点和边缘点的温降规律。，h为铜柱表面与空气间的平均放热系数，为铜柱的导热系数，L为定型尺寸，。5把h代入（2）式，计算出与中心点对应时刻的温度并绘在同一张坐标纸上，做出一条温降曲线比较，说明其差别及原因。表2-