实验 圆球法测定粒状材料导热系数

实验球法测定粒状材料导热系数一、实验目的掌握在稳态条件下，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；加深对傅立叶定律的理解，巩固所学热传导的理论；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。假定内球壁面温度为牛外球壁面温度为成球面各点温度均匀，且t1＞如当加热时间足够长、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：Q=-XA虫=-X4nr2虫（1）drdr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X随温度t作直线变化，即：X=X（1+bt）式中：X0一在0°C时材料的导热系数；W/（m、C）b一比例常数。将式（2）代入式（1），得：(2)Q=-X0(1+bt)4nr2?(3)分离变数后积分：t+bt2=-^--+C24nXr当r=r，t=t时，t+bt2=—Q——+C11214nXr当r=r，t=t时，t+bt2=Q—+C22224^X0r2从上两式消去C得：(t-t)"+b(=)]=@(---)，可得到球体处于稳定导热时，12|_2_|4nXrr傅立叶定律的积分形式:2nX(t-t)Q=14-1d；即XarQ(14-1d)

2n(t-1)(4)(5)_tx-1,AAlv1t+t\/、t+t式中：X=X[1+br2]=X（1+bt）,t=r2ar020arar2从式（4）可看出，只需测出球内外径为、d2，热流Q及球内外表面温度小t2即可得到X。ar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t]、t2,求得另一个t，利用式（2）有X=X（1+bt），X=X（1+bt）可得比例常数b的表达arar10ar1ar20ar2式：b=―1匕一1—（6）七-顿a/tar2三、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80mm，外球直径d2为160mm，内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（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。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〜t6分别为三个热电偶测外球表面的温度。四、实验步骤将电位差计、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。改变加热电压，重复上述试验。五、实验报告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？简述实验装置的结构原理（包括实验装置系统图）。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。计算材料的导热系数，整理实验结果。表1实验数据记录表次数t1t2t3tnt4t5t6out加热功率mV°CmVCmVCCmVCmVCmVCCU/A123456六、思考题查阅文献，了解绝热材料导热系数的数量级。能否用这个装置测量金属、液体或者气体的导热系数?能否用这个装置测量