测定气体导热系数
用球体法测量导热系数实验
.天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（三）用球体法测量导热系数实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：实验7 用球体法测量导热系数实验一、实验目的1． 学习用球体法测定粒状材料导热系数的方法。
2． 了解温度测量过程及温度传感元件。
二、实验原理1.导热的定义：导热是指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传 热.2.温度场: 非稳态 t=f （x,y,z,τ） 稳态 t=f(x,y,z)一维稳态 t=f(x)上式中x,y,z 为空间坐标， τ为时间 3温度梯度：上图中，等温面法向温度增量t ∆与距离n ∆的极限比值的极限。
即：n t nn t n gradt n ∂∂=∆∆=→∆0lim4.傅里叶定律：傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直 于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
dx dt n t Q λλ=∂∂=其中Q 为导热量，单位为W ；A 为传热面积，单位为m2；T 为温度， 单位为K ；x 为在导热面上的坐标，单位为m 。
5．导热系数：导热系数是表征物质导热能力的物性参数。
一般地，不同物质的导热系数相差很大。
金属的导热系数在2.3～417.6W/m ·℃范围， 建筑材料的导热系数在0.16～2.2 W/m ·℃之间， 液体的导热系数波动于0.093～0.7 W/m ·℃， 气体的导热系数为0.0058～0.58 W/m ·℃范围内。
即使是同一种材料，其导热系数亦随温度、压力、湿度、物质结构和密度等因素而变化dxdt q -=λλ为导热系数，w/m.k6.影响λ的因素：1）温度、密度、湿度及材料的种类的等因素。
对流传热过程是流体与壁面间的传热过程，所以凡是与流体流动及壁面有关的因素，也必然影响 对流传热系数的数值，实验表明传热系数 值与流体流动产生的原因。
导热系数的标准测试方法
导热系数的标准测试方法
导热系数是描述物质传热能力的一个重要参数。
以下是导热系数的常见标准测试方法：
1. 平板法（ASTM C177）：将被测样品切割成平板状，并在
两侧施加固定温度差，测量样品上下表面的温度分布和传热速率，计算导热系数。
2. 热流计法（ASTM C518）：将被测样品夹在两个热流计之间，通过测量被测样品所产生的热流及两侧温度差，计算导热系数。
3. 热板法（ASTM C518）：将被测样品夹在两个加热板之间，通过测量两侧加热板的功率及温度差，计算样品的导热系数。
4. 气体法（ASTM E1530）：将被测样品置于两个热源之间，
通过测量加热源输出的功率和被测样品的温度差，计算导热系数。
5. 悬浮热线法（ASTM E1530）：将导热棒悬浮在被测样品中，施加恒定的能量，测量导热棒两侧的温度差，计算导热系数。
在进行导热系数测试时，应注意环境温度、样品尺寸和准备工作的标准化，以获得准确可靠的测试结果。
导热系数测量及方法
导热系数测量方法及仪器Jurgen BlummNETZSCH-Geratebau GmbH, Selb/Bavaria, Germany编译：曾智强耐驰仪器（上海）有限公司前 言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，激光法、热线法、热流法、保护热流法、保护热板法等几类测量方法的原理与应用，以及德国耐驰公司（NETZSCH）的相关仪器。
在某些应用场合，了解材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。
例如，耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。
航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。
陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。
在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。
有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，散热材料已经成为微电子工业领域关键材料。
在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。
然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。
要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。
基本理论与定义热量传递的三种基本方式是：对流，辐射与传导。
对流是流体与气体的主要传热方式，对固态与多孔材料传热不起重要作用。
对于半透明与透明材料，尤其在高温情况下，必须考虑辐射传热。
除了材料的光学性质外，边界状况亦能影响传热。
关于辐射传热方式的详细介绍见文献一1。
本文主要讨论的是热传导。
热量的传导基于材料的导热性能——其传导热量的能力2。
厚度为x 的无限延伸平板热传导可用Fourier 方程进行描述（一维热传递）：xT· △△λ−=QQ 代表单位表面积在厚度(△x)上由温度梯度(△T)产生的热流量。
两个因子都与导热系数（λ）相关联。
在温度梯度与几何形状固定的情况下，导热系数代表了稳态下需要多少能量才能维持该温度梯度。
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，设容器内壁的温度近似为室温。
由于，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，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。
图1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。
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是测量室的示意图，假设钨丝的半径为，测量室的内半径为，钨丝的温度为，长度为，室温为。
传热计算习题附详细答案
传热计算题1.在一内径为0.25cm的管轴心位置上，穿一直径为 0.005cm的细导线，用以测定气体的导热系数。
当导线以0.5A 的电流时，产生的电压降为0.12V/cm，测得导线温度为167℃，空心管内壁温度为150℃。
试求充入管内的气体的导热系数试分析仪器精度以外造成结果误差的客观原因。
2．有两个铜质薄球壳，内球壳外径为0。
015m，外球壳内径为 0.1m，两球壳间装入一种其导热系数待测的粉粒料。
内球用电加热，输入功率为 50w，热量稳定地传向外球，然后散发到周围大气中。
两球壁上都装有热电偶，侧得内球壳的平均温度为120℃，外求壳的平均温度为50℃，周围大气环境温度为20℃；设粉粒料与球壁贴合，试求：（1）待测材料的导热系数（2）外球壁对周围大气的传热系数3．有一面积为10cm2带有保护套的热电偶插入一输送空气的长管内，用来测量空气的温度。
已知热电偶的温度读数为300℃，输气管的壁温为 200℃，空气对保护套的对流传热系数为60w/m2.k，该保护套的黑度为 0.8，试估算由于辐射造成的气体温度测量误差。
并叙述减小测量误差的途径。
已知 Stefan-Bohzman常数σ=5.67×10-9w/m2k 。
4．用两个结构尺寸相同的列管换热器按并联方式加热某中料液。
换热器的管束由32根长 3m 的Ф25×3mm 的钢管组成。
壳程为120℃的饱和蒸汽。
料液总流量为20m3/h，按相等流量分配到两个换热器中作湍流流动，由 25℃加热到 80℃。
蒸汽冷凝对流传热系数为8Kw/m2.℃，管壁及污垢热阻可不记，热损失为零，料液比热为 4.1KJ/kg.℃，密度为 1000kg/m3。
试求：（1）管壁对料液的对流传热系数（2）料液总流量不变，将两个换热器串联，料液加热程度有何变化？（3）此时蒸汽用量有无变化？若有变化为原来的多少倍？（两者情况下蒸汽侧对流传热系数和料液物性不变）5．某厂现有两台单壳程单管程的列管式空气加热器，每台传热面积为A0=20m2（管外面积），均由128根Ф25×2.5mm的钢管组成。
气体 导热系数
气体导热系数
气体导热系数是指在单位时间内，单位面积上的热量流过一个1米厚度的气体层所需要的温度差。
气体的导热性质是由其分子的运动方式决定的。
由于气体分子之间的距离较大，因此气体热传导主要是通过气体分子之间的碰撞来实现的。
气体导热系数的大小受到多种因素的影响，如气体的种类、密度、温度、压力等。
一般来说，气体导热系数随着温度的升高而增大，而随着压力的升高而减小。
不同气体的导热系数也有所不同，例如氢气的导热系数比氮气大。
气体导热系数的研究在工业生产和科学研究中具有重要意义。
例如，在化工工业中，需要对气体的导热性质进行研究，以优化工艺流程，提高生产效率。
在气象学领域中，气体导热系数的研究也具有重要意义，可以帮助科学家更好地理解大气的运动和温度分布规律。
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气体的导热系数测定实验
气体的导热系数测定实验
气体的导热系数是指气体传导热量的能力，对于气体的导热系数的测定可以进行以下实验:
1. 热传导实验：将一个圆柱形的气体样品放置在一个恒温的容器中，并在样品上加热一个端口。
在另一个端口上放置一个温度计，测量样品中的温度变化。
通过比较加热端口与测温端口的温度差异和加热功率的关系，可以计算出气体的导热系数。
2. 热传导法：将两个绝热的容器用一个细长的气体样品连接起来，并在其中一个容器中加热气体，同时在另一个容器中测量温度。
通过测量温度变化的速率和加热功率的关系，可以计算出气体的导热系数。
3. 热导率计：使用热导率计测量气体样品的导热系数。
热导率计是一种能够测量物体导热性能的仪器。
通过将气体样品和一个绝缘的热源和冷源接触，测量导热传导的速率和温度差异，可以计算出气体的导热系数。
需要注意的是，在进行气体导热系数测定实验时，要保持实验环境的稳定性，确保温度的恒定和样品的均匀性，以提高测量的准确性。
此外，还需根据气体的性质和实验条件的需要，选择适当的测量方法。
热线法测量导热系数
热线法测量导热系数1.导热系数测定原理热物性是物质在受热过程中表现出来的属性一般都用宏观的方法研究与测热物性测定的一个共同特点是人为地安排一个热过程，然后对热过程进行测所直接测量的物理量有温度、时间、长度、质量、电流、电压等，再根据一关系式计算出热物性，因而热物性测定属于间接测定。
导热系数是物质重要物性参数，其测定方法的研究是通过建立适当的物理模型，根据热量传递理行数学分析，导出直接测量的物理量与导热系数之间的关系，并借助于误差，指导改进试验方案的设计和提高导热系数测定值的精度[1]。
对所有材料而言，凡是能为下式（傅立叶导热方程式）的特解提供所需边界条件的任何仪器，都可测定导热系数。
式中，ρ为密度，c 为比热容，z y x λλλ、、分别对应x 、y 、z 方向上的导热系数。
对于各向同性的介质，方程简化为由推测的温度分布随时间的变化函数关系计算出热扩散率，然后再根据热容确定导热系数λ。
对于各种导热系数的测定方法，概括起来就是确定一个导热过程的物理模型，并导出描述这一过程规律的微分方程，求在一定单值条件下微分方程的解，在实验中要满足这些条件，最后将测量结果带入微分方程的解中，进而求得微分方程中的物性参数λ的值。
2 导热系数测定方法在实际工程中，各种固体材料的导热系数相差很大，其变化范围从与已知气体一样低的数值到比气体的导热系数高几个数量级。
对于高电导率余属，可以观测到其导热系数是相当之高。
因而在实际导热系数λ的测试研究中，必须应用各种极为不同的方法来测量各种不同固体材料的导热系数。
由于物理模型、实验方案及实验装置的不同，有许多导热系数的测定方法，如果按照热流状态分，可分为稳态法和非稳态两大类，也有两者结合的综合法，详述如下。
稳态法是在待测试样上温度分布达到稳定后进行实验测量，其分析的出发点是稳态导热微分方程。
这种方法的特点是实验公式简单，实验时间长，需要测量热流量和若干点的温度。
在稳态法中将直接测量热流量的方法称为绝对法，通过测量参比试样的温度梯度，间接测定热流量的方法称为比较法。
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测定气体导热系数
【实验目的】
1．掌握低真空系统的基本操作方法，学会正确使用数显式电子真空计。
2．掌握用热线法测定气体导热系数的基本原理和正确方法。
3．学习应用“线性回归”和“外推法”对实验数据进行处理。
【实验原理】
1．“热线法”测量气体导热系数的原理
1)稳定温度场的建立
T2
由于T1＞T2，容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度，由于热传导，钨丝温度下降，本实验用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T1。
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T1时所消耗的电功率，从而维持测量室中温度梯度稳定。
故通过测量钨丝消耗的电功率来算出单位时间内热传导的热量。
2)由付里叶定律推导气体导热系数
K 即气体导热系数。
其中l = 19.5 cm , r 1 = 0.0095 mm, r 2 =
7.5 mm . T 2近似等于室温，关键在于Q 与T 1怎么测定。
2) Q 与T 1的测定
每秒钟通过气体圆柱面传输的热量Q 等于钨丝所耗散的电功率，即 UI W Q ==
对于一定长度为l 的钨丝而言，其电阻值与温度的关系为： 001)(273R R R T α-+= 。
R 0=37.2 Ω，是零度时的电阻值；R=U/I 为实验测量。
13101.5--⨯=C α
2．二项修正
1）热辐射以及联接钨丝两端的电极棒的传热损失的修正。
2）测量在低气压（133.3帕～1333帕）条件下进行，低气压
气体导热系数K 低 与压强P 下导热系数之间的关系：
中的K 低和K 可以用Q 低和Q 来代替
3．作图法外推求Q 以1／P 为横坐标，1／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1／Q
【实验内容】
1． 熟悉实验装置，选择合适的热线温度
外推法求
Q
1）对照实验装置图熟悉气体导热系数测定仪的基本结构，特别注意三通Ⅰ和三通Ⅱ的旋转操作。
2）校准电子真空计。
3）调节热线的恒温温度T1 (钨丝电阻值为90～100Ω左右) 2．测量钨丝热辐射与电极棒传热耗散的电功率Ｗ真空
1）预抽真空
2）测量W真空
在真空度约0.1333帕（或10-3 乇）时测出热线两端的电压U
真空及流过它的电流I真空，通过计算得W真空。
3．测量干燥空气的导热系数
在133.3～1333帕范围内测出不同气压P时，钨丝两端的电
压Up及流经钨丝的电流Ip。
把所有数据记录到表格中。
注意事项：
1. 为了避免真空泵回油，实验中或实验结束时，当真空泵停机时，都要使其通大气，即三通I转到1、3位置。
2. 如果不注意，把过多的气体放入系统内时，可以再用
真空泵把系统内气压抽到实验的需要值再继续测量。
3. 如果系统长时间没有使用，或者系统漏气较多，系统
不容易达到所要求的真空度，这时候要仔细检查系统各气路
接口有否漏气的地方并予以排除，必要时还要拔下两个三通
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，系统就能达到所需的真空度。
【数据与结果】
1． 数据记录表见讲义
2． 数据处理：
1）外推法求Q 。
2）求T 1(T 2即室温)。
3）求T 1～T 2之间的平均导热系数。
4）求T1～T2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。
00100|
|⨯-=K K K E。