实验一 物体在空气中的冷却规律

1、实验一 Bi0.1的物体在空气中的冷却规律、实验目的验证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。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： TOC o 1-5 h z 、dt HYPERLINK l bookmark48 o Current Document hA（t -1 ） = -peV（1）8dT式中：h 一物体表面与介质间的放热系数（W/（m2C）A 一物体的表面积（m2）T 一冷却时间（分）t

2、h介质温度（C）e 一物体比热（J/（kgC）P一物体的材料密度（kg/m3）V 一物体的体积（m3）t 一对应于T时刻的物体温度（C）（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2.铜柱3.UJ36型电位差计4.电热器（电炉）5.烧杯 TOC o 1-5 h z 冰瓶1个秒表1只切换开关1个电烙铁1

3、把量具、工具若干镍铬-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：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。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

4、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。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。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。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。试验结束后把仪器恢复原状。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）。在直角坐标纸上做出中心点和边缘点的温降

5、曲线。温度t为纵坐标，时间t为横坐 标。若试验结果正确，两条温降曲线应基本重合。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：In t - hA Tt t pcVln( t t ) ln(t t )hA T pcV(4)因t, s h,p, c, V均为常数，a也作为常数，所以温度t只是时间t的函数。若令1 hAb p cV(6)代入式（3）,则有：y=bx（7）（7）式即为线性回归方程式。把所测

6、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：Exy i i b i 1Ex 2 i i1p cVbA(8)4.检查B.数，分析中心点和边缘点的温降规律。B,-牛，h为铜柱表面与空气间的,V平均放热系数，入为铜柱的导热系数，L为定型尺寸，L -。A5.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2-1测试记录表中心点 八、时间（分）02468101418243040热电势（mv）6.7805.7105.3405.0404.7604.5004.0403.6

7、803.2102.8602.440温度（C）99.5587.7579.5575.2571.2567.5560.9555.7548.9543.7537.55边缘点 八、时间（分）03579111519253141热电势（mv）6.8205.4405.0804.8004.5604.33.3.8803.5403.1102.7902.380温度（C）10080.9575.8571.8568.4565.1558.6553.7547.4542.7536.65六、数据处理做中心点与边缘点的温降曲线入下图所示综合传热系数的计算：取中心点数据ln根据线性回归法求平局放热系数x120240360480600840

8、1080144018002400y-0.16-0.30-0.37-0.45-0.53-0.68-0.83-1.05-1.26-1.59810 - 18,x =T由图得b=-0.0006A=n DH+1 n D2=3.14 X 0.029 X 0.0461+0.25 X 3.14 X 0.0292=4.86X 10-3 m2 4V=3.04X10-5m3bpcVbpcV所以由 h = 得 h =(0.0006 X 8930 X 461 X 3.04 X 10-5)/4.86 XAA10-3=16.04B. = hL =16.04X3.04X10-5/(4.86X 10-3X398)=2.5X 10-40.01i 人根据公