单操实验-固体热传导系数-实验说明及数据处理幻灯片.pptVIP

* T∞-T/T∞-T0 VS αt/R2 Exp B2 固體之熱傳導係數(Thermal Conductivity of Solids) * 一、目的： 在不穩定之熱傳導( Unsteady-state Heat Conduction )過程中， 利用trial and error 來求 傳熱係數。 * 二、理論： 固體之熱傳導係數，為計算蒸汽管壁之散熱( Heat Dissipation )，燃燒爐( Burner )及反應器( Reactor )之設計，以及選擇適當之保溫、保冷材料之基礎。 在本實驗中擬以固體不穩定熱傳導之測定來探討不同之熱傳導係數對傳熱( Heat Transfer )之影響，並利用試誤法( Trial and Error Method )求出某一金屬固體之熱傳導係數。 設將一溫度分佈均勻之物體置於一大恆溫器中，則物體內部任一定點之溫度，上昇至另一較高溫度所需之時間與該物體之幾何形狀、大小以及其本身材料之物理性質有關。而幾何形狀與大小相同之試驗標本( Test Specimen )在相似之熱條件下，產生相似熱效應所需之時間，僅與該標本之物理性質如密度、熱容量以及熱傳導係數有關。 * * 對於物理性質為一定之球狀固體在不穩定狀況下之傳導過程， 應用傅立葉熱傳導定律與能量平衡，可得如下之偏微分方程式： 其中： γ ：球半徑方向之座標(m) R ：球之半徑(m) 適合邊界條件(1)、(2)式之解為： * 圖16-2 為在球心處，以俾奧數為參數，無因次溫度對無因次時間之圖，通常可應用在下列之三種場合： 若固體材料之物理性質如密度、熱容量、熱傳導係數以及傳熱係數均為已知，則當外界之溫度亦為已知時，固體之中心溫度可由圖中之位置算出。 若固體材料之密度、熱容量以及熱傳導係數皆為已知，以實驗所得之無因次溫度對無因次時間在半對數紙上作圖。將[所得之圖]與[理論所得]之無因次群函數圖形(圖16-2)中之 k/hL或 k/hR線對照，找出最適合之俾奧數，則可計算出傳熱係數h 之值。 若固體材料之密度、熱容量及傳熱係數皆為已知，而其熱傳導係數為未知時，可利用試誤法，即先假定熱傳導係數k 值，在半對數紙上作無因次溫度對無因次時間之圖，看所得之線是否與理論所得之無因次群函數圖形(圖16-2)中同一 k/hL或k/hR之線重疊。若否，則重新假定k 值，再以同法進行，直至相同為止，如此可求出固體之熱傳導係數。 * * * * * 三、實驗裝置： 設定的溫度 目前的溫度 * 夾子 溫度計 鋁球 不銹鋼球和支架 燒杯 裝水的容器 * (a)Slab (b)Cylinder (c)Sphere * 四、實驗步驟： 1. 拿裝水的容器去裝水。把水加到剛剛好淹過球體。 2. 開始設定溫度，並利用溫度控制器調節水溫，讓它上昇至某預定溫度並保持在此溫度。 3. 利用溫度計測定槽內之水溫，並且將( 不銹鋼球體or鋁球 )置入恆溫水槽裡。 4. 等到恆溫水槽內之水溫上昇至某預定溫度後，將 ( 不銹鋼球or鋁球 ) 置入支架內，再將支架連同球體一起放入恆溫水槽中。 此時熱傳導即開始， 記錄者開始記錄 溫度和時間 ，直至該中心溫度與恆溫槽內之水溫相差僅1 ~ 2℃時為止。我們設定的時間為10分鐘 * 五、數據記錄與報告事項： (1) 數據記錄： 固體之密度ρ(kg/m3)： 固體之熱容量Cp (kcal/kg-℃)： 不銹鋼球球心溫度對時間之關係：（如附表一）。 不銹鋼球球心溫度對時間之關係：（如附表二）。 * (2) 結果之整理 (a) 對密度，熱容量以及熱傳導係數均為已知之試驗樣 本， 利用實驗所得之無因次溫度(T ∞ ?T ) /(T ∞ ? To)與時間t 之 數據，在兩週期半對數紙上，以(T ∞ ?T ) /(T ∞ ? To)對(αt / L2 )或(αt / R2 )作圖。將所得之圖與理論所得之無因次群函數圖形(圖16-2)中之(k / hL)或(k / hR)線對照，找出最適合之俾奧數，計算傳熱係數h 之值。 (圖16-2) (b) 對密度，熱容量以及傳熱係數皆為已知，而熱傳導係數為未知之試驗標本，利用試誤法先假定熱傳導係數為k 值，在兩週期半對數紙上，以(T ∞ ?T ) /(T ∞ ? To)對(αt / L2 )或(αt / R2 )作圖，看所得之線是否與理論所得之無因次群函數圖形(圖16-2)中同一(k / hL)或(k / hR)線重疊。若否，則重新假定k值，再以同法進行，直至相同為