应用笔记

介绍 在该实验中，垂直悬挂在房间中的金属板上的对流传热系数（h）通过测量房间的环境温度和板的表面温度来确定，当板从最初的高温冷却到较低的温度时自由对流。使用的方法是将实验冷却轨迹与不同h值的一系列理论曲线进行比较，然后选择最佳匹配并确定h的值。 在该实验中使用集总热容法来确定对流系数。该实验非常适合各种群体，包括从事高中水平（例如11年级或12年级）的物理学科的学生，以及在本科阶段从事传热学科的学生（例如机械工程学士学位的2年级）课程）。

所需设备 •TC-08热电偶数据记录仪 • 安装了PicoLog数据记录软件的 PC •3个K型热电偶 •铝356金属板（可以使用其他散热量的金属板） •1升容器加热用于加热的水，将样品加热至初始温度 •便携式燃气燃烧器加热水 •U型夹具有尖头螺钉（或替代夹紧，可最大限度地减少热量损失） •用于悬挂样品的基座和支架（或替代装置） •用一块小布清洁板面上多余的水分

背景理论 一种固体，其几何形状，尺寸和热性能使得外部表面的热流阻力比内部大得多，可以作为在均匀温度下冷却的材料块来处理。这正式称为集总热容传热箱。Biot编号标准给出了该方法适用性的测试如下：

并且可以通过以下公式以合理的准确度描述作为时间函数的固体温度：

实验设置 通过在尖头螺钉之间拧紧将样品夹在夹具中，并在距离地面约1.5米（或所需高度）处悬挂在要确定传热系数的房间或空间的中间。使用如图1所示的支架悬挂样品或替代悬挂装置。 将TC-08单元连接到PC并将三个热电偶插入转换器。使用一些粘合剂将一个热电偶端放在其中一个板面的中间，然后将另一个热电偶放在适当的位置以测量房间的环境温度。留出一个热电偶，用于测量水温。

进行实验 点燃燃烧器，将一个热电偶放入水容器中，并使用燃烧器将水加热至约95摄氏度。根据需要降低燃烧器火焰以保持该温度。 启动计算机并运行PicoLog记录器软件，将采样率设置为每秒1个样本，并确保温度监视器显示已打开，然后开始将数据记录到文件中。 通过将板的下端浸入水中，使用热水加热样品。加热直至样品温度达到约85摄氏度。 当板温度读数大约为85度时，将水和燃烧器放开，快速擦去浸没在水中的板端的多余水分，让板冷却约半小时。在此时间之后停止记录器并使用记录的数据来确定对流系数，如下所述。可以从记录的数据中提取用于确定对流系数的测量温度范围数据。

使用理论冷却曲线和测量数据确定对流系数 要找到磁铁在两个线圈之间移动所需的时间：在该实验中使用铝级356熔模铸造样品板。该实验在具有最小通风和环境温度约18℃的房间中进行。样品板具有矩形几何形状的光滑表面光洁度和矩形凹槽。设置装置和板的几何形状可以在上面的图1中看到。总体尺寸，测量面积和体积以及热性能如下： •总长：101毫米 •总宽度：62毫米 •整体厚度：19毫米 •测量的表面积：A = 1.848 * 10 -² m² •测量体积：V = 1.082 * 10 -4 m³ •导热系数：167.36 W / m·K •热容量：963 J / kg K.

对于所用样品的材料，几何形状和尺寸，应用集总热容。在评估适用性标准（h * V / A * K）时，我们得到0.0003，远低于标准最大值0.1，以获得合理的准确度。 下面的图2显示了环境，水和板表面的三个温度曲线。图2的绿色曲线是板表面温度，蓝色曲线是水温，红色曲线是环境温度。 对于给定的实验条件，室温为18°C且无气流，应该预期典型值约为10 W / m·K。因此，下面图3中绘制的理论曲线是h值约为10。

在将测量数据叠加到理论曲线上并精炼范围之后，通过选择如下图4中所示的最佳匹配曲线，将h的足够接近的值确定为大约10。深黑色线是测量的温度。

问题和结果讨论 为什么用尖头螺钉夹住样品？ 如何才能找到更接近的理论冷却曲线？ 什么是辐射效应？可以从图4的叠加图中扣除任何内容吗？可以忽略辐射效应吗？