J9–测定气体导热系数.doc

实验九 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。 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。距热源钨丝处取一薄层圆筒状气体层，设其厚度为，长为，内外圆柱面的温差为，每秒钟通过该柱面传输的热量为，根据傅里叶定律有： 它可改写为： 两边积分得： 则 （1） 其中就是要求的气体导热系数。上式中，，为仪器常数，测量室内壁温度可以近似地看作室温，问题是与怎么测定？ 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，且每秒种通过气体圆柱面传输的热量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：。对于长度为的钨丝而言，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。 2．修正项 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帕或乇)，此时为保持钨丝的温度仍为所消耗的电功率，将主要用于钨丝的热辐射与电极棒的传热损失，它等于： 故气体每秒钟所传导的热量(指低气压条件下气体每秒钟传导的热量)应为： 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 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： （2） (2) 为了减少气体对流传热的影响，测量应在低气压(或)条件下进行。因为在低气压的情况下，通过算出的(低气压下的气体导热系数)和测量时测量室内的压强存在着下述关系： （3） 从公式(1)可见与成正比(因为，，为仪器常数，、在测量中为恒定值)，因此公式(3)中的和可以用和来代替，只是系数A要转换为另一系数，于是可将公式(3)改写为如下的形式： （4） 本实验是在不同压强（）的情况下，测出相应的，然后以为横坐标，l／ 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／， 这就是所谓用外推法求值，将所得的代入(1)式，便得到欲求的气体在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，这里()，通过与l／ 作图求出截距l／，将 及已知的、、、代入(1)式而求出气体在之间的平均导热系数。 【实验装置】 实验系统示意图及各部分的作用如下：