西安交通大学2018年《高等低温技术学》期末作业.docx

2018年《高等低温技术学》期末作业试从稀薄气体特性及传热、受力角度说明克鲁克斯辐射计的工作原理并定性说明辐射计转速与真空度的关系。答:克鲁克斯辐射计主体是一个高度真空的玻璃泡,里面悬挂着四个叶片,每个叶片一面为黑色,另一面为白色。黑色一面吸收率更大,比白色吸收更多的辐射热,因此黑色附近温度更高,叶片两侧形成一个温度差,由稀薄气体热分子压力效应可知,这一温差将导致两侧形成压力差,黑色侧压力更高,分子将从黑色侧沿叶片边缘流向白色侧,从而带动叶片旋转。为保持这一温差,叶片两面往往会涂有隔热层。辐射计能正常工作,必须使玻璃泡内为高度真空的稀薄气体。如果玻璃泡内不是真空,叶片会由于空气阻力过大而无法转动;如果玻璃泡内完全真空,就没有分子运动来撞击叶片,也无法转动。将氮气视为理想气体,,250~350K的运动粘度,并和NISTRefProp数据做对比,从输运系数微观机理出发分析可能导致差异的因素。氮气分子直径(icdiameter)可视为365pm。答:由气体动理论知内摩擦系数,故运动粘度,由麦克斯韦速度分布律有,分子平均自由程,因此代入,,,求得:运动粘度。由NIST数据查得:氮气运动粘度由于分子动理论是将氮气分子看作理想的小球,分子速率采用统计方法,运动粘度的结果与实验值存在差别,需加修正。从TdS方程出发,推导并比较气体节流、液体节流的温度效应。答:气体节流可看成是绝热的,前后焓值不变。由Tds方程有,将第二Tds方程代入得,对于等焓过程得节流温度效应为。液体节流也是如此。低温液氢杜瓦,内胆为直径5m的球型结构,液氢充注率90%,采用多层蒸气冷却屏技术实现液氢日均蒸发1%,计算确定需要的蒸气冷却屏层数。答:为简化计算,,设计温度20K,外部为室温300K。此时液氢密度,汽化潜热。故液氢质量,由日蒸发量为可得:漏热量。设需要n层蒸气冷却屏,第层冷却屏的温度为,取内壁温度为,外壁温度为。内壁向第一层冷却屏传热为,第一层冷却屏向第二层传热为,以此类推,第n层冷却屏向外壁传热为,且。由辐射传热可得:……因多层绝热缠绕层常采用双面镀铝薄膜加间隔材料复合而成,故取,,联立上式有,代入得,故至少需要4层冷却屏。什么是接触热阻?什么是卡皮查热阻?说明他们的区别。答:复合系统中,热量会由较高温的物体流到较低温的物体。温度分布在在不同材料的交界面上有明显的温度落差,这就是因为接触面之间存在接触热阻。卡皮查热阻指的是两电介质之间的界面热阻。因最早由卡皮查提出,所以也叫卡皮查热阻。产生的主要原因是由于处于接触的两种物质的电子特性以及振动特性不相同。当载热子(声子或者电子,视物质特性而定)试图穿过接触界面时,会发生散射。散射后的载热子的运动情况就完全取决于接触界面物质可用的能量状态。界面热阻不同于接触热阻,即使在原子层面上接触完美的界面,也会存在界面热阻,而对于接触热阻来说,更多的热阻是来自于界面的不接触部分。分析说明氦的主要相变特性、相图分布、氦工质与其他流体的主要区别,如何获得不同状态的氦。答:氦属于稀有气体,在大气中含量很少,大约只有5ppm,但在有些地方的天然气中含量很大,达1%以上。我们提及的氦往往指的是He4。氦是最难液化的气体,只有预冷到很低的温度(达到转化温度以下)才有可能通过压缩和节流的方法使其液化。同其他纯物质一样,氦