2-测定气体导热系数

实验二 测定气体导热系数

物理学为衡量物质传导热的性质设置了导热系数,导热系数代表该物质的导热性能。导热系数大的物质为热的良导体;导热系数小的物质为热的不良导体。水的导热性能好,气体的导热性能差。在气体中不同的气体,导热性能相差悬殊。比如氦和氢的导热系数比空气大6~7倍,说明氦的导热能力比空气大6~7倍。在气相色谱分析中,气体导热系数这一热学性质被用来鉴别不同的气体。

“热线法”是测量气体导热系数的基本方法。为了减少气体对流传热的影响,实验测量在低气压下进行,然后通过线性外推求算实验结果。

【实验目的】

l .掌握用热线法测定气体导热系数的基本原理和正确方法。 2.掌握低真空系统的基本操作。

3.学习应用“线性回归”和“外推法”进行实验数据处理。

【实验原理】

l .“热线法”测量气体导热系数的原理

“热线法”是在样品(通常为大的块状样品)中插入一根热线。测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系,由此可得到材料的导热系数。

本实验将待测气体盛于沿轴线方向装有一根钨丝的圆柱形容器内(如图1) ,该容器称为测量室。并给钨丝提供一定的电流使其温度为T 1,设容器内壁的温度近似为室温T 2。由于T 1>T 2, 容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度,由于待测气体的热传导,将迫使钨丝温度下降,因而无法维持测量室中温度梯度的稳定状态。只有设法维持钨丝的温度恒为

T 1,容器内待测气体的温度分布才能保持为稳定的径向分布的温度场。

本实验就是用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T 1。这样,每秒钟由于气体热传导所耗散的热量就等于维持钨丝的温度恒为T 1时所消耗的电功率。不同气体的导热性能(导热系数) 不同,则维持钨丝温度恒为T 1所消耗的电功率也不同,因而可以通过测量钨丝消耗的电功率来求算待测气体的导热系数。

图1 图1是测量室的示意图,假设钨丝的半径为r 1,测量室

的内半径为r 2,钨丝的温度为T 1,长度为l ,室温为T 2。距热源钨丝r 处取一薄层圆筒状气体层,设其厚度为dr ,长为l ,内外圆柱面的温差为dT ,每秒钟通过该柱面传输的热量为Q ,根据傅里叶定律有:

dT dT

Q =-K ⨯∆S ==-K ⨯2πrl

dr dr

它可改写为: Q

dr

=-K ⨯2πldT r

r 2r 1

两边积分得: Q ⨯⎰dr /r =-2πlK ⎰dT

r 1

r 2

则 Q ⨯ln(r 1/r 2) =2πlK (T 1-T 2)

K =

Q ln(r 2/r 1) ⨯ (1) 2πl T 1-T 2

其中K 就是要求的气体导热系数。上式中l ,r 2,r 1为仪器常数,测量室内壁温度T 2可以近似地看作室温,问题是Q 与T 1怎么测定?

我们知道,只有不断地为钨丝提供电能,才能保持钨丝的温度恒定为T 1,且每秒种通过气体圆柱面传输的热量Q 事实上就等于钨丝所耗散的电功率,而电功率的测定可通过测量钨丝两端的电压和流经钨丝的电流获得:Q =W =U ⨯I 。对于长度为l 的钨丝而言,在不同温度时,它的电阻值是不相同的,只要预先标定好钨丝的温度,根据材料电阻率与温度的关系,便可通过测量钨丝的电阻率而求出它的温度T 1。

2.修正项

(1) 钨丝耗散的总功率,除气体传导的热量之外,尚有钨丝热辐射以及联接钨丝两端的电极棒的传热损失。倘若将测量室抽成真空(低于0.133帕或10-3乇) ,此时为保持钨丝的温度仍为T 1所消耗的电功率,将主要用于钨丝的热辐射与电极棒的传热损失,它等于: W 真空=U 空⨯I 空

故气体每秒钟所传导的热量Q 低(指低气压条件下气体每秒钟传导的热量) 应为: Q 低=W -W 真空=UI -U 空⨯I 空

在实际测量过程中,由于测量室的外管壁温度会有所提高,带来的系统误差是使

Q 低值偏小。为了消除这一系统误差,经长期实验发现,在以上公式中用乘1.2的系数 加以修正即可:

Q 低=(W -W 真空) ⨯1. 2=(UI -U 空⨯I 空) ⨯1. 2 (2)

(2) 为了减少气体对流传热的影响,测量应在低气压(1. 333帕~1333帕或1~10乇) 条件下进行。因为在低气压的情况下,通过Q 低算出的K 低(低气压下的气体导热系数) 和测量时测量室内的压强P 存在着下述关系:

1A 1

=+ (3) K 低P K

从公式(1)可见Q 与K 成正比(因为l ,r 2,r 1为仪器常数,T 1、T 2在测量中为恒定值) ,因此公式(3)中的K 低和K 可以用Q 低和Q 来代替,只是系数A 要转换为另一系数B ,于是可将公式(3)改写为如下的形式:

1B 1

=+ (4) Q 低P Q

本实验是在不同压强(P )的情况下,测出相应的Q 低,然后以1/P 为横坐标,l /Q 低 为纵坐标作图,所得到的实验曲线将近似为一直线。此直线在纵坐标上的截距即为l /Q , 这就是所谓用外推法求Q 值,将所得的Q 代入(1)式,便得到欲求的气体在T 1~T 2之间的平均导热系数。

综上所述,测量气体导热系数的过程,实际上就是测量不同低气压(P)情况下相应的Q 低,这里(Q 低=U P I P -U 空⨯I 空⨯1. 2) ,通过1/P 与l /Q 低 作图求出截距l /Q ,将Q 及已知的l 、r 2、T 1、T 2代入(1)式而求出气体在T 1~T 2之间的平均导热系数K 。

【实验装置】

实验系统示意图及各部分的作用如下:

证在不同气压条件下热线均保持同一温度设定值T 1。

热线恒温调节电位器:用于设定钨丝(热线) 初始温度的高低,并通过仪器自动恒温控制系统保

测量室:作为待测气体的存贮与测量空间; 真空计:用于测量系统的真空度;

干燥塔:用于对待测气体干燥除湿,同时缓冲系统气压变化速率,从而保护电子真空计的压力

传感器;

针阀:用于调节待测气体的进气速率(注意:该阀仅用于流量的调节,而不可作为截止阀使用) ; 三通I :用来转换l 、2接通(真空泵对系统抽气状态) 或l 、3接通(真空泵进气口通大气状态,

以免真空泵回油) ;

三通II :可转换4、5接通(针阀控制进气状态) 或4、6接通(系统直接通大气状态) 。

若三通I 为l 、2接通,三通II 为关闭状态,则此时对测量室及全系统抽气。 【实验内容】

l . 系统校准和热线温度的设定

(1)熟悉气体导热系数测定仪的基本结构,了解面板上各开关、旋钮等的功能,特别注意三通I 和三通II 的旋转操作。

(2) 电子真空计的校准。

从实验室提供的气压计上读取当时的大气压值。闭合仪器电源总开关,系统通大气。将仪器上电子气压计的读数,设置为当时的大气压值。(通过面板上的真空计校准按钮“+”或“-”调整)仪器自动将校正后数据保存。

(3)调节热线的恒定温度T 1。将测量室的钨丝用导线与仪器上两个接线柱相联。打开电压表,缓缓调节钨丝的温度选择旋钮,从电压表和电流表上读出钨丝的U 和I ,并估算钨丝的电阻值R =U /I ,使它的电阻值达到90~100Ω左右(对于导热系数特别大的气体,如氢气,电阻值要适当再调低一些,以免测量时超出电表量程) 。 2.测量钨丝热辐射与电极捧传热耗散的电功率W 空 (1) 预抽真空

三通II 旋至4(即旋钮尖端指向关闭) ,开动真空泵,三通I 旋至l 、2相通(即旋钮尖端指向系统) ,抽气约20分钟,从数字式真空计读数观察系统的真空度,应使真空度达到约O.1333帕(或10-3托)。 (2)真空计零值校准。

系统抽到0.1333帕(~10-3托)数量级的低气压,按置零按钮数字显示为零即可,本系统以此值作为真空看待。

注:此值为一般机械真空泵的极限真空度。实际测量时,一般以热丝耗散功率小于O.20W 作为系统的真空对待。例如,在Rt 的设置值为100Ω时,只要系统抽气到电压表显示值小于5V 时,则系统就基本满足真空要求。此时,可按真空计的置零按钮,使真空计“置零”。 (3)测量W 真空值

在真空度约0.1333帕(或10-3乇) 时测出热线两端的电压U 空及流过它的电流I 空。 W 空=U 空⨯I 空 即为非气体导热所消耗的热功率。

注意:如果系统长时间没有使用,或者系统漏气较多,系统不易达到所要求的真空度,应仔细检查系统各气路接口有否漏气并予以排除,必要时可拔下两个三通阀的阀芯,清洗后涂上新的真空脂,在排除系统内部吸附的气体后,系统应能达到所需的真空度。 3.测量干燥空气的导热系数

鉴于测量时待测气体的气压应为133. 3~1333帕(1~10乇) 的低气压,实验时应将待测气体注入抽空了的测量室,通过控制针阀的漏气率注入部分气体来控制气压,使之符合上述范围。实验的过程是测出不同气压P 值时,钨丝两端的电压U P 及流经钨丝的电流I P 。 具体步骤如下;

(1) 测量W 真空后,测量室处于真空状态,校准好真空计零点。将三通II 旋至4、5联通继续把三通II 至针阀之间的管路中的残余气体的气压抽到l 乇以下。

(2) 接着关闭三通II 。将三通I 从l 、2联通的位置旋转到l 、3联通,关闭真空泵。 (3) 旋转三通II 至4、5联通(即旋钮尖头指向针阀) ,使干燥气体经过针阀缓慢进入抽空了的测量室。针阀用来控制干燥空气的进入。

(注意:漏率的大小,要以实验人员在1~10乇的气压范围内,能及时读取并记录相关数据为宜,该阀非常精密,应在教师指导下进行调节,请同学们自己不要随意调节,以免损坏针阀) 。

(4) 系统气压缓慢地升高,当气压到达1乇左右,测定出一组相应的电压值与电流值,以后每间隔O.5乇左右测量一组数据,只要在1~10乇的范围内,均匀地读取十几组数据并分别记录到表格内即可。 注意:

1.为了避免真空泵回油,实验过程中或实验结束时,只要真空泵停机时,都应该及时将三通I 转到l 、3位置,旋钮尖端指向空气,使其进气口通大气。

2.实验过程中如果不注意(或操作不熟练) ,把过多的气体放入系统内,这时可以参照上面操作步骤,用真空泵把系统内气压重新抽到实验需要值再继续测量。

【数据记录与处理 】

2.数据处理: (1) 外推法求Q 。

鉴于Q 低=B P

-1

-1

+Q -1是线性方程,故以Q 低为纵坐标,P -1为横坐标,根据实验数据可

-1

作出一条直线,该直线在纵轴上的截距即Q -1。因此可求出常压下在温度T 1~T 2之间气体耗散的平均热功率Q 值。 (2) 求T 1与T 2。

实验时的室温可近似地作为测量室的壁温T 2。 热线温度T 1可通过 t 1=(R -R 0) /a ⋅R 0 求出。 式中 T 1=273+t 1;

R 0=37. 2Ω 钨丝在0 C 时的电阻值;

R =U /I 为实验测量时的热线电阻(即热线恒温为T 1时的电阻) ;

a =5. 1⨯10-3C -1 为温度系数。

(3) 求T 1~T 2之间的平均导热系数。

依实验室给出的r 1、r 2和l ,再根据求出的Q 、T 1、T 2,利用(1)式

K =

Q ln(r 2/r 1)

2πl (T 1-T 2)

即可求出空气在T 1~T 2间的平均导热系数。

(4)求T 1~T 2间平均导热系数的理论值,并与实验测得值对比求实验的相对误差。

由于导热系数K 和温度T 的依赖关系比较复杂,要由K 0精确计算出各温度下的K 是比较困难的,但如下的简单关系可以近似成立:

K =K 0⨯(T /273)

由此可以计算出T 1~T 2间的平均导热系数:

=

1T 1-T 2

T 2

T 1

K 0⨯(

5

T ) dT 273

T 2-T 121

=⨯5(273) T 1-T 2

⨯K 0

将所得的T 1~T 2之间的平均导热系数与K 值比较,即可求出测量的相对误差:

E =

3.测量氢气或其它气体的导热系数

K -⨯100%

基本操作方法与实验内容相同,但须注意:

(1)待测气体样品由针阀及三通II 的4、5接通放入测量室。

(2)氢气的导热系数特别大,为避免电表读数超量程,热线的设定电阻值应降到60~70Ω,而且在向测量室充气时可切断对热线的电压输出(避免电表读数将因超量程而溢出) ,待稍稍抽气后再接通热线电压。 【思考题】

1.开启或停止真空泵之前应该注意什么问题? 2.使用电子式真空计应注意哪些问题?

3.为什么要先测量低气压下气体的传热数据,再用外推法去求常压下的气体的导热系数?

4.为何要测量真空条件下钨丝耗散的电功率? 5.为何要避免系统一边进气一边抽气?

【附录】操作程序

l.在真空泵与主机接通及220V 电源接通的基础上,接通测量室的“+”“-”输出端。 2.将抽气阀置于“大气”位置。

3.打开主机左侧的电源开关,将放气阀置于“大气”位置,此时,主机上左侧的数显表头所显示的数字为大气压数,通过“+”“-”按钮校正大气压的数为760,再将放气阀置于“关闭”位置。

4.将主机面板上的扭子开关打向“输出”,调整“温度选择”旋钮,观察中间及右边的数显表,(即热丝电压,热丝电流) 应成比例的数字相同。

5.将抽气阀置于“系统”位置,打开真空泵电源,开始抽真空。 6.抽真空过程中热丝电压低于5V ,热丝电流50mA 以下基本上满足真空要求,将放气阀置于“针阀”位置。真空泵继续工作,使热丝电压仍低于5V ,热丝电流50mA 以下,然后按主机面板的“置零”按钮,再关掉真空泵电源。 7.实验结束后,应将放气阀置于“关闭”位置,抽气阀置于“大气”位置,关掉电源开关。 上述程序为从开机到关机的操作过程,其过程中需记录有关数据,及应注意的若干问题,由实验老师给予指导。

1、三通I 2、测量室 3、三通II 4、针阀 5、气压表 6、测量室电压表 7、测量室电流表 8、电源总开关 9、电源指示灯 10、真空计置零按钮 11、12 真空计校准+、- 13、真空计单位转换 14、测量室温度设置 15、测量室电源开关 16、真空泵电源开关

实验二 测定气体导热系数

物理学为衡量物质传导热的性质设置了导热系数,导热系数代表该物质的导热性能。导热系数大的物质为热的良导体;导热系数小的物质为热的不良导体。水的导热性能好,气体的导热性能差。在气体中不同的气体,导热性能相差悬殊。比如氦和氢的导热系数比空气大6~7倍,说明氦的导热能力比空气大6~7倍。在气相色谱分析中,气体导热系数这一热学性质被用来鉴别不同的气体。

“热线法”是测量气体导热系数的基本方法。为了减少气体对流传热的影响,实验测量在低气压下进行,然后通过线性外推求算实验结果。

【实验目的】

l .掌握用热线法测定气体导热系数的基本原理和正确方法。 2.掌握低真空系统的基本操作。

3.学习应用“线性回归”和“外推法”进行实验数据处理。

【实验原理】

l .“热线法”测量气体导热系数的原理

“热线法”是在样品(通常为大的块状样品)中插入一根热线。测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系,由此可得到材料的导热系数。

本实验将待测气体盛于沿轴线方向装有一根钨丝的圆柱形容器内(如图1) ,该容器称为测量室。并给钨丝提供一定的电流使其温度为T 1,设容器内壁的温度近似为室温T 2。由于T 1>T 2, 容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度,由于待测气体的热传导,将迫使钨丝温度下降,因而无法维持测量室中温度梯度的稳定状态。只有设法维持钨丝的温度恒为

T 1,容器内待测气体的温度分布才能保持为稳定的径向分布的温度场。

本实验就是用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T 1。这样,每秒钟由于气体热传导所耗散的热量就等于维持钨丝的温度恒为T 1时所消耗的电功率。不同气体的导热性能(导热系数) 不同,则维持钨丝温度恒为T 1所消耗的电功率也不同,因而可以通过测量钨丝消耗的电功率来求算待测气体的导热系数。

图1 图1是测量室的示意图,假设钨丝的半径为r 1,测量室

的内半径为r 2,钨丝的温度为T 1,长度为l ,室温为T 2。距热源钨丝r 处取一薄层圆筒状气体层,设其厚度为dr ,长为l ,内外圆柱面的温差为dT ,每秒钟通过该柱面传输的热量为Q ,根据傅里叶定律有:

dT dT

Q =-K ⨯∆S ==-K ⨯2πrl

dr dr

它可改写为: Q

dr

=-K ⨯2πldT r

r 2r 1

两边积分得: Q ⨯⎰dr /r =-2πlK ⎰dT

r 1

r 2

则 Q ⨯ln(r 1/r 2) =2πlK (T 1-T 2)

K =

Q ln(r 2/r 1) ⨯ (1) 2πl T 1-T 2

其中K 就是要求的气体导热系数。上式中l ,r 2,r 1为仪器常数,测量室内壁温度T 2可以近似地看作室温,问题是Q 与T 1怎么测定?

我们知道,只有不断地为钨丝提供电能,才能保持钨丝的温度恒定为T 1,且每秒种通过气体圆柱面传输的热量Q 事实上就等于钨丝所耗散的电功率,而电功率的测定可通过测量钨丝两端的电压和流经钨丝的电流获得:Q =W =U ⨯I 。对于长度为l 的钨丝而言,在不同温度时,它的电阻值是不相同的,只要预先标定好钨丝的温度,根据材料电阻率与温度的关系,便可通过测量钨丝的电阻率而求出它的温度T 1。

2.修正项

(1) 钨丝耗散的总功率,除气体传导的热量之外,尚有钨丝热辐射以及联接钨丝两端的电极棒的传热损失。倘若将测量室抽成真空(低于0.133帕或10-3乇) ,此时为保持钨丝的温度仍为T 1所消耗的电功率,将主要用于钨丝的热辐射与电极棒的传热损失,它等于: W 真空=U 空⨯I 空

故气体每秒钟所传导的热量Q 低(指低气压条件下气体每秒钟传导的热量) 应为: Q 低=W -W 真空=UI -U 空⨯I 空

在实际测量过程中,由于测量室的外管壁温度会有所提高,带来的系统误差是使

Q 低值偏小。为了消除这一系统误差,经长期实验发现,在以上公式中用乘1.2的系数 加以修正即可:

Q 低=(W -W 真空) ⨯1. 2=(UI -U 空⨯I 空) ⨯1. 2 (2)

(2) 为了减少气体对流传热的影响,测量应在低气压(1. 333帕~1333帕或1~10乇) 条件下进行。因为在低气压的情况下,通过Q 低算出的K 低(低气压下的气体导热系数) 和测量时测量室内的压强P 存在着下述关系:

1A 1

=+ (3) K 低P K

从公式(1)可见Q 与K 成正比(因为l ,r 2,r 1为仪器常数,T 1、T 2在测量中为恒定值) ,因此公式(3)中的K 低和K 可以用Q 低和Q 来代替,只是系数A 要转换为另一系数B ,于是可将公式(3)改写为如下的形式:

1B 1

=+ (4) Q 低P Q

本实验是在不同压强(P )的情况下,测出相应的Q 低,然后以1/P 为横坐标,l /Q 低 为纵坐标作图,所得到的实验曲线将近似为一直线。此直线在纵坐标上的截距即为l /Q , 这就是所谓用外推法求Q 值,将所得的Q 代入(1)式,便得到欲求的气体在T 1~T 2之间的平均导热系数。

综上所述,测量气体导热系数的过程,实际上就是测量不同低气压(P)情况下相应的Q 低,这里(Q 低=U P I P -U 空⨯I 空⨯1. 2) ,通过1/P 与l /Q 低 作图求出截距l /Q ,将Q 及已知的l 、r 2、T 1、T 2代入(1)式而求出气体在T 1~T 2之间的平均导热系数K 。

【实验装置】

实验系统示意图及各部分的作用如下:

证在不同气压条件下热线均保持同一温度设定值T 1。

热线恒温调节电位器:用于设定钨丝(热线) 初始温度的高低,并通过仪器自动恒温控制系统保

测量室:作为待测气体的存贮与测量空间; 真空计:用于测量系统的真空度;

干燥塔:用于对待测气体干燥除湿,同时缓冲系统气压变化速率,从而保护电子真空计的压力

传感器;

针阀:用于调节待测气体的进气速率(注意:该阀仅用于流量的调节,而不可作为截止阀使用) ; 三通I :用来转换l 、2接通(真空泵对系统抽气状态) 或l 、3接通(真空泵进气口通大气状态,

以免真空泵回油) ;

三通II :可转换4、5接通(针阀控制进气状态) 或4、6接通(系统直接通大气状态) 。

若三通I 为l 、2接通,三通II 为关闭状态,则此时对测量室及全系统抽气。 【实验内容】

l . 系统校准和热线温度的设定

(1)熟悉气体导热系数测定仪的基本结构,了解面板上各开关、旋钮等的功能,特别注意三通I 和三通II 的旋转操作。

(2) 电子真空计的校准。

从实验室提供的气压计上读取当时的大气压值。闭合仪器电源总开关,系统通大气。将仪器上电子气压计的读数,设置为当时的大气压值。(通过面板上的真空计校准按钮“+”或“-”调整)仪器自动将校正后数据保存。

(3)调节热线的恒定温度T 1。将测量室的钨丝用导线与仪器上两个接线柱相联。打开电压表,缓缓调节钨丝的温度选择旋钮,从电压表和电流表上读出钨丝的U 和I ,并估算钨丝的电阻值R =U /I ,使它的电阻值达到90~100Ω左右(对于导热系数特别大的气体,如氢气,电阻值要适当再调低一些,以免测量时超出电表量程) 。 2.测量钨丝热辐射与电极捧传热耗散的电功率W 空 (1) 预抽真空

三通II 旋至4(即旋钮尖端指向关闭) ,开动真空泵,三通I 旋至l 、2相通(即旋钮尖端指向系统) ,抽气约20分钟,从数字式真空计读数观察系统的真空度,应使真空度达到约O.1333帕(或10-3托)。 (2)真空计零值校准。

系统抽到0.1333帕(~10-3托)数量级的低气压,按置零按钮数字显示为零即可,本系统以此值作为真空看待。

注:此值为一般机械真空泵的极限真空度。实际测量时,一般以热丝耗散功率小于O.20W 作为系统的真空对待。例如,在Rt 的设置值为100Ω时,只要系统抽气到电压表显示值小于5V 时,则系统就基本满足真空要求。此时,可按真空计的置零按钮,使真空计“置零”。 (3)测量W 真空值

在真空度约0.1333帕(或10-3乇) 时测出热线两端的电压U 空及流过它的电流I 空。 W 空=U 空⨯I 空 即为非气体导热所消耗的热功率。

注意:如果系统长时间没有使用,或者系统漏气较多,系统不易达到所要求的真空度,应仔细检查系统各气路接口有否漏气并予以排除,必要时可拔下两个三通阀的阀芯,清洗后涂上新的真空脂,在排除系统内部吸附的气体后,系统应能达到所需的真空度。 3.测量干燥空气的导热系数

鉴于测量时待测气体的气压应为133. 3~1333帕(1~10乇) 的低气压,实验时应将待测气体注入抽空了的测量室,通过控制针阀的漏气率注入部分气体来控制气压,使之符合上述范围。实验的过程是测出不同气压P 值时,钨丝两端的电压U P 及流经钨丝的电流I P 。 具体步骤如下;

(1) 测量W 真空后,测量室处于真空状态,校准好真空计零点。将三通II 旋至4、5联通继续把三通II 至针阀之间的管路中的残余气体的气压抽到l 乇以下。

(2) 接着关闭三通II 。将三通I 从l 、2联通的位置旋转到l 、3联通,关闭真空泵。 (3) 旋转三通II 至4、5联通(即旋钮尖头指向针阀) ,使干燥气体经过针阀缓慢进入抽空了的测量室。针阀用来控制干燥空气的进入。

(注意:漏率的大小,要以实验人员在1~10乇的气压范围内,能及时读取并记录相关数据为宜,该阀非常精密,应在教师指导下进行调节,请同学们自己不要随意调节,以免损坏针阀) 。

(4) 系统气压缓慢地升高,当气压到达1乇左右,测定出一组相应的电压值与电流值,以后每间隔O.5乇左右测量一组数据,只要在1~10乇的范围内,均匀地读取十几组数据并分别记录到表格内即可。 注意:

1.为了避免真空泵回油,实验过程中或实验结束时,只要真空泵停机时,都应该及时将三通I 转到l 、3位置,旋钮尖端指向空气,使其进气口通大气。

2.实验过程中如果不注意(或操作不熟练) ,把过多的气体放入系统内,这时可以参照上面操作步骤,用真空泵把系统内气压重新抽到实验需要值再继续测量。

【数据记录与处理 】

2.数据处理: (1) 外推法求Q 。

鉴于Q 低=B P

-1

-1

+Q -1是线性方程,故以Q 低为纵坐标,P -1为横坐标,根据实验数据可

-1

作出一条直线,该直线在纵轴上的截距即Q -1。因此可求出常压下在温度T 1~T 2之间气体耗散的平均热功率Q 值。 (2) 求T 1与T 2。

实验时的室温可近似地作为测量室的壁温T 2。 热线温度T 1可通过 t 1=(R -R 0) /a ⋅R 0 求出。 式中 T 1=273+t 1;

R 0=37. 2Ω 钨丝在0 C 时的电阻值;

R =U /I 为实验测量时的热线电阻(即热线恒温为T 1时的电阻) ;

a =5. 1⨯10-3C -1 为温度系数。

(3) 求T 1~T 2之间的平均导热系数。

依实验室给出的r 1、r 2和l ,再根据求出的Q 、T 1、T 2,利用(1)式

K =

Q ln(r 2/r 1)

2πl (T 1-T 2)

即可求出空气在T 1~T 2间的平均导热系数。

(4)求T 1~T 2间平均导热系数的理论值,并与实验测得值对比求实验的相对误差。

由于导热系数K 和温度T 的依赖关系比较复杂,要由K 0精确计算出各温度下的K 是比较困难的,但如下的简单关系可以近似成立:

K =K 0⨯(T /273)

由此可以计算出T 1~T 2间的平均导热系数:

=

1T 1-T 2

T 2

T 1

K 0⨯(

5

T ) dT 273

T 2-T 121

=⨯5(273) T 1-T 2

⨯K 0

将所得的T 1~T 2之间的平均导热系数与K 值比较,即可求出测量的相对误差:

E =

3.测量氢气或其它气体的导热系数

K -⨯100%

基本操作方法与实验内容相同,但须注意:

(1)待测气体样品由针阀及三通II 的4、5接通放入测量室。

(2)氢气的导热系数特别大,为避免电表读数超量程,热线的设定电阻值应降到60~70Ω,而且在向测量室充气时可切断对热线的电压输出(避免电表读数将因超量程而溢出) ,待稍稍抽气后再接通热线电压。 【思考题】

1.开启或停止真空泵之前应该注意什么问题? 2.使用电子式真空计应注意哪些问题?

3.为什么要先测量低气压下气体的传热数据,再用外推法去求常压下的气体的导热系数?

4.为何要测量真空条件下钨丝耗散的电功率? 5.为何要避免系统一边进气一边抽气?

【附录】操作程序

l.在真空泵与主机接通及220V 电源接通的基础上,接通测量室的“+”“-”输出端。 2.将抽气阀置于“大气”位置。

3.打开主机左侧的电源开关,将放气阀置于“大气”位置,此时,主机上左侧的数显表头所显示的数字为大气压数,通过“+”“-”按钮校正大气压的数为760,再将放气阀置于“关闭”位置。

4.将主机面板上的扭子开关打向“输出”,调整“温度选择”旋钮,观察中间及右边的数显表,(即热丝电压,热丝电流) 应成比例的数字相同。

5.将抽气阀置于“系统”位置,打开真空泵电源,开始抽真空。 6.抽真空过程中热丝电压低于5V ,热丝电流50mA 以下基本上满足真空要求,将放气阀置于“针阀”位置。真空泵继续工作,使热丝电压仍低于5V ,热丝电流50mA 以下,然后按主机面板的“置零”按钮,再关掉真空泵电源。 7.实验结束后,应将放气阀置于“关闭”位置,抽气阀置于“大气”位置,关掉电源开关。 上述程序为从开机到关机的操作过程,其过程中需记录有关数据,及应注意的若干问题,由实验老师给予指导。

1、三通I 2、测量室 3、三通II 4、针阀 5、气压表 6、测量室电压表 7、测量室电流表 8、电源总开关 9、电源指示灯 10、真空计置零按钮 11、12 真空计校准+、- 13、真空计单位转换 14、测量室温度设置 15、测量室电源开关 16、真空泵电源开关


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