金属线热膨胀系数实验讲义

固体线热膨胀系数的测定

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。在相同条件下，固体的膨胀比气体和液体小得多，直接测定固体的体积膨胀比较困难。但根据固体在温度升高时形状不变可以推知，一般而言，固体在各方向上膨胀规律相同。因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表征它的体膨胀。测量固体线热膨胀系数的方法和实验仪器有很多种，本实验只是其中的一种。 一、实验目的

⒈ 了解DH4608A金属热膨胀系数实验仪的基本结构和工作原理。 ⒉ 掌握千分表和温度控制仪的使用方法。 ⒊ 掌握测量金属线热膨胀系数的基本原理。 4．测量不锈钢管、紫铜管的线膨胀系数。 5、学会用热电偶测量温度。 二、实验原理

在一定温度范围内，原长为L0（在t0＝0℃时的长度）的物体受热温度升高，一般固体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀，在t（单位℃）温度时，伸长量△L，它与温度的增加量△t（△t=t-t0）近似成正比，与原长L0也成正比，即：

△L=?×L0×△t （1）

此时的总长是：

Lt＝L0+△L （2） 式中?为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。在温度变化不大时，?是一个常数，可由式（1）和（2）得

??Lt?L0?L1?? （3） L0tL0t由上式可见，?的物理意义：当温度每升高1℃时，物体的伸长量△L与它在0℃时的长度之比。当温度变化较大时，?可用t的多项式来描叙：

?＝A+Bt+Ct2+……

式中A，B，C为常数。

在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温t1下的长度L1及其在温度t1至t2之间的伸长量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数?：

??L2?L1?L21? （4）

L1?t2?t1?L1?t2?t1?式中L1和L2分别为物体在t1和t2下的长度，△L21＝L2-L1是长度为L1的物体在温度从t1升至t2的伸长量。在实验中我们需要直接测量的物理量是?L21，

L1，t1和t2。

为了得到精确的测量结果，因此，我们需要得到精确的?，这样不仅要对

?L21，t1和t2进行精确的测量，还要扩大到对?Li1和相应的温度ti的测量。即：

?Li1??L1(ti?t1) i=1,2,3,…… （5）

在实验中我们等温度间隔的设置加热温度（如等间隔5℃或10℃），从而测量对应的一系列?Li1。将所得到的测量数据采用最小二乘法进行直线拟合处理，从直线的斜率可得到一定温度范围内的平均热膨胀系数?。 三、实验仪器使用说明

1、仪器组成

1

恒温水浴锅 DH4608A金属热膨胀系数实验仪、千分表、待测样品、实验架

2、实验架如下图所示

图1 实验架结构图

1-热电偶安装座 2-待测样品 3-挡板 4-千分表

3、通常热电偶安装座安装在待测样品中间位置即挡板和左侧固定点的中间。安装座的一侧有一小孔，将热电偶涂上导热硅脂插在小孔中，实验仪上显示的是热电偶的热电势，查找铜-康铜热电偶分度表可以得出温度值。 4、千分尺与挡板的位置要安装合适，既要保证二者间没有间隙，又要保证千分尺有足够的伸长空间。

5、样品的一端用硅胶管与恒温水浴锅出水口相连，一端与恒温水浴锅的进水口相连。

6、在水浴锅没有和样品连接好的情况下不要将水泵电源打开。 7、打开水浴锅电源之前仔细检查连接是否正确。 8、温度控制设定值不要超过80度。 9、实验过程中防止水浴锅干烧。

10、实验过程中不能振动仪器和桌子，否则会影响千分表读数。 11、千分表是精密仪表，不能用力挤压。 四、实验步骤：

l、将实验样品固定在实验架上，拧紧锁紧螺钉，注意挡板要正对着千分表 2、调节千分表和挡板的相对位置，既要保证二者间没有间隙，又要保证千分尺有足够的伸长空间。

2

3、调节热电偶安装座的位置，使其处在待测样品的中间

4、将热电偶涂上导热硅脂，插在热电偶安装座的小孔中，热电偶传感器的插头和实验仪上的插座相连。

5、样品的一端用硅胶管与恒温水浴锅出水口相连，一端与恒温水浴锅的进水口相连。

6、关闭水泵电源。

7、确保水浴锅内有足够的水。

8、最后检查仪器连接是否正确，仪器各部分的相对位置摆放合适。 9、打开仪器电源，进入实验。 10、打开水泵开关。

11、每5℃设定一个控温点，记录样品上的实测温度，和千分表上的变化值

12、根据数据△L和△t。通过公式

???L L?t计算线热膨胀系数并画出△t（作x轴）-?L（作y轴）的曲线图，观察其线性。与参考值进行比较，计算出测量的百分误差。

3

附录一：

固体线热膨胀系数测定表

测.量样品： 初始长度L=

设定温度ti (oC) 实测温度 (mv) (oC) 1 2 3 4 5 6 7 8 35 40 45 50 55 60 65 70 千分表读数Li（mm） △Li+1（mm）=△Li+1-△Li 0 △ti+1（mm）=△ti+1-△ti ???LL?t0 α

4

附录二

固体的线膨胀系数表 物质 温度 线膨胀系数/10（℃）?1?6 铝 0～100℃ 22.0～24.0 铁 0～100℃ 11.54～13.20 青铜 0～100℃ 17.10～18.02 黄铜 0～100℃ 18.10～20.08 注：仅供参考，不同金属材料的线膨胀系数不相同；在不同的温度段也不同。 附录三

铜—康铜热电偶分度表 温度℃) -10 -0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

5

热电势(mV) 0 -0.383 0.000 0.000 0.391 0.789 1.196 1.611 2.035 2.467 2.908 3.357 3.813 4.277 4.749 5.227 5.712 6.204 6.702 7.207 7.718 8.235 8.757 9.286 1 -0.421 -0.039 0.039 0.430 0.830 1.237 1.653 2.078 2.511 2.953 3.402 3.859 4.324 4.796 5.275 5.761 6.254 6.753 7.258 7.769 8.287 8.810 2 -0.458 -0.077 0.078 0.470 0.870 1.279 1.695 2.121 2.555 2.997 3.447 3.906 4.371 4.844 5.324 5.810 6.303 6.803 7.309 7.821 8.339 8.863 3 -0.496 -0.116 0.117 0.510 0.911 1.320 1.738 2.164 2.599 3.042 3.493 3.952 4.418 4.891 5.372 5.859 6.353 6.853 7.360 7.872 8.391 8.915 4 -0.534 -0.154 0.156 0.549 0.951 1.361 1.780 2.207 2.643 3.087 3.538 3.998 4.465 4.939 5.420 5.908 6.403 6.903 7.411 7.924 8.443 8.968 5 -0.571 -0.193 0.195 0.589 0.992 1.403 1.865 2.250 2.687 3.131 3.584 4.044 4.512 4.987 5.469 5.957 6.452 6.954 7.462 7.975 8.495 9.024 6 -0.608 -0.231 0.234 0.629 1.032 1.444 1.882 2.294 2.731 3.176 3.630 4.091 4.559 5.035 5.517 6.007 6.502 7.004 7.513 8.027 8.548 9.074 7 -0.646 -0.269 0.273 0.669 1.073 1.486 1.907 2.337 2.775 3.221 3.676 4.137 4. 607 5.083 5.566 6.056 6.552 7.055 7.564 8.079 8.600 9.127 8 -0.683 -0.307 0.312 0.709 1.114 1.528 1.950 2.380 2.819 3.266 3.721 4.184 4.654 5.131 5.615 6.105 6.602 7.106 7.615 8.131 8.652 9.180 9 -0.720 -0.345 0.351 0.749 1.155 1.569 1.992 2.424 2.864 3.312 3.767 4.231 4.701 5.179 5.663 6.155 6.652 7.156 7.666 8.183 8.705 9.233

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