Bi0.1的物体在空气中的冷却规律.doc
中国石油大学传热学实验报告实验日期： 2012-5-21 成绩： 教师： 班级： 石工09-10 学号： 09021452姓名： 任婷 同组者： 周霞实验一 Bi<0.1的物体在空气中的冷却规律一、实验目的1验证Bi<0.1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Bi<0.1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） 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量具、工具 若干10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。用热电偶测量温度。热电偶和铜柱示意图如下图1-1,1-2所示： 图1-1 热电偶示意图 图1-2 铜柱示意图实验时两人一组，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、实验数据处理1实验装置简图（如下图1-3）、铜柱数据，测试记录及对应的温度（以表21的形式给出）。图1-3 实验装置简图铜柱数据：直径D=29.1 mm 高度H=46.0mm 体积V =3.06×10m³ 比热 c=0.461KJ/(Kg) 密度=8930 Kg/m³ 导热系数 =398W/(m)室温：22表2-1 测试记录表中心 点时间（分）02468222426283240热电势（mv）6.775.805.445.124.803.333.183.042.902.712.37温度（）99.486.081076.572.050.748.646.544.441.636.5边缘点时间（分）035721232527293141热电势（mv）6.775.565.224.923.413.263.102.982.872.762.34温度（）99.482.777.973.651.949.848.045.644.042.436.12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。线性回归的方法是：对（2）式两边取自然对数： （3） （4）因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，用作图法计算出回归系数b，再由b求出h，即： （8）由线性回归曲线得b=0.0409 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，。 Bi=851.05×5.5×0.001/398=0.012<0.1M=0.055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。差别及原因:理论曲线与实测曲线的变化规律相同，即在过程的开始阶段，温度变化很快，随时间的延续，物体的温度变化逐渐减小。但理论上认为物体内部的导热热阻不存在，由于物体内部导热热阻的存在，理论曲线在实测曲线之上。六、实验总结通过此次实验，我得知了Bi<0.1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。并测绘出铜柱在空气中冷却时的温降曲线，然后与理论计算结果比较。实验过程中由于实验仪器的问题导致了部分实验数据的缺失，幸好发现及时，并不太影响实验结果及数据处理。最后，十分感谢老师的耐心指导！
