热功当量虚拟实验

记录电热温升,比较拟合区间与环境热交换,核对焦耳和卡的换算。

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图 1 均温电热量热系统;箭头示意热交换方向,不代表空间温度场

温度读数

热损失为正表示流向环境,为负表示从环境吸热。“已知交换修正”使用本教学模型的H及全过程积分;单靠直线拟合不会自动获得该修正。

数据分析

图 2 温度—时间数据;电加热数据按选定区间拟合,断电响应不混入热功当量回归

表 1 虚拟温度记录(0 点)

来源状态时刻 / s温度 / K操作

原报告观测

表 2 原报告30点温度

序号时间 / min温度 / K序号时间 / min温度 / K

原报告无实际电压电流、总热容及环境冷却记录,故只能独立回归温升,不能独立复算J;源4.21 J/cal保留为仪器已报结果。原温度观测不与教学热容或散热参数拼接。

模型依据

$$JC\dot T=P-H(T-T_a),\quad P=UI\ \text{或}\ 0,\quad W=Pt=JC(T-T_i)+Q_{\mathrm{env}}.$$
$$J_{\mathrm{fit}}=\frac{UI}{Ck},\quad J_{\mathrm{endpoint}}=\frac{UIt}{C(T-T_i)},\quad J_{\mathrm{corrected}}=\frac{UIt-Q_{\mathrm{env}}}{C(T-T_i)}.$$

C采用cal/K,JC才是J/K;若C直接采用J/K,比值只是无量纲能量比。模型假定均温、恒定热容、线性环境换热及恒电功。独立断电情景从指定初温重新计算,不伪造连续切换的冷却记录。详见模型、参数与验证依据。

参考文献

蔡晨等,《电热法测量热功当量实验的新探究》,大学物理2016,35(5):53–56,p53式1–5及p54式7–8为热平衡与精确一阶响应。其SI热容下J为无量纲,本页cal/K下J为J/cal。DOI 10.16854/j.cnki.1000-0712.2016.0080。