固体热膨胀系数的测量
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一、实验目的
测定金属棒的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。
二、仪器及用具
热膨胀系数测定仪(尺读望远镜、米尺、固体线膨胀系数测定仪、铜棒、光杠杆、温度计等)
三、实验原理
1．材料的热膨胀系数
线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长。在一定的温度范围内，固体受热后，其长度都会增加，设物体原长为L，由初温t1加热至末温t2，物体伸长了 △L,则有
（1） （2）
此式表明，物体受热后其伸长量与温度的增加量成正比，和原长也成正比。比例系数称为固体的线胀系数。一般情况下，固体的体胀系数为其线胀系数的3倍。
2．线胀系数的测量
在式（1）中△L是个极小的量，这样微小的长度变化，普通米尺、游标卡尺的精度是不够的，可采用千分尺、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等。考虑到测量方便和测量精度，我们采用光杠杆法测量。光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和米尺组成的。光杠杆放大原理如下图所示：
当金属杆伸长△L时，从望远镜中叉丝所对标尺刻度前后为b1、b2，这时有：
带入（2）式得固体线膨胀系数为：
四、实验步骤及操作
1.单击登陆进入实验大厅
2.选择热力学试验单击
3.双击固体热膨胀系数的测量进入实验界面
4.在实验界面单击右键选择“开始实验”
5.调节平面镜至竖直状态
6.进行望远镜调节，调节方位、聚焦、目镜是的标尺刻线清晰，调节中丝读数为0.0mm,并打开望远镜视野
7.单击铜棒测量长度，单击温度计显示铜棒温度，打开电源加热，记录每升高10度时标尺读数直至温度升高到90度止
8.单击卷尺，分别测量l、D，
9．以t为横轴，b为纵轴作b-t关系曲线，求直线斜率。
10.代入公式计算线膨胀系数值。
由图得k=0.3724
五、实验数据记录与处理
六、思考题
1．对于一种材料来说，线胀系数是否一定是一个常数？为什么？
答： 不是。因为同一材料在不同的温度区域，其线性系数是不同的，有实验结果的事实 可证明。
2．你还能想出一种测微小长度的方法，从而测出线胀系数吗？
答： 目前想不到更好地方法。
3. 引起?测量误差的主要因素是什么？
答：仪器的精准度，操作过程中的不可避免性的失误，温度变化的控制，铜棒受热不均匀等。
第二篇：+++页岩膨胀系数
实验五 页岩膨胀性及粒度组成分析实验
一 实验目的
1. 掌握泥页岩膨胀机理；
2．了解高温高压泥页岩膨胀仪的工作原理及仪器结构；
3．掌握泥页岩膨胀率测定及计算方法。
二 实验原理
随着测试液与粘土矿物接触时间的增加，粘土膨胀，高度增加，由容栅传感器感应出的试样轴向的位移信号，通过计算机系统将膨胀量随时间的关系曲线记录下来，显示在屏幕上。当粘土矿物的膨胀量基本稳定时，最大的膨胀量与粘土样品的初始高度之比为最大膨胀率。
泥页岩膨胀率计算公式：
其中：E—膨胀率，%；ht—粘土样品在t时刻的高度，mm；h0—粘土样品的初始高度，mm。
三仪器结构
图8-1 高温高压泥页岩膨胀仪原理图
1.压力表；2.放气手柄；3.销钉；4.连通阀杆；5.放气螺钉；6.输入三通阀；
7.容栅传感器；8.导杆；9.温度传感器；10.主测杯；11.粘土样品；
12.岩样模；13.加热套；14.温控仪；15.注液阀；16.注液杯
图8-2 主测杯结构示意图
1.容栅传感器；2.传感器支架；3.输入三通阀；4.放气螺钉；5.平衡支架；6.密封螺钉；7.滑动杆；8.测杆；9.主测杯；10.紧固螺钉；11.岩样模；12.托垫；13.止钉；
14.杯下盖；15.Φ51×3.1密封圈；16.测盘；17.滑块；18.表杆；19.传感器座
主要试验仪器：
主要试验仪器：氮气瓶(氮气压力大于5Mpa)、管汇、高温高压泥页岩膨胀仪、数据控制及显示系统等。
各仪器的主要指标：
各仪器的主要指标：气源压力为5Mpa；工作温度≤120℃；工作压力为3.5Mpa；测试量程为15mm；试样模内径为25mm；测量分辨率为0.001mm。
四．实验步骤
1. 打开高温高压页岩膨胀仪的电源开关，设置加热温度为80℃。
2.将制备好的压样(同岩样模一起)从主测杯底部装入主测杯内，同时应在主测杯底部放置密封圈，禁锢主测杯下的6个固定螺钉。
3.在主测杯上部放一个密封圈，将带有测盘、测杆的平衡支架系统放入主测杯内，调整好位置，拧紧固定螺钉。
4.将注液杯与主测杯之间的注液阀顺时针关闭，然后把试液(20~30mL)倒入注液杯中，拧紧杯盖。
5.将连接好的主测杯和注液杯放入高温高压夜宴膨胀仪的加热套中，并将两根输气管分别与主测杯的输入三通阀和注液杯的连通阀杆连接好。
6.将容栅传感器放入支架内，调节表杆位置，使其底部与滑块接触，并拧紧固定螺钉；然后将温度传感器插入主测杯的孔内。
7.拧紧注液杯上部的放气手柄，拧紧放气螺杆，然后打开注液杯的连通阀杆，将连接注液杯的气体的压力调至0.5~1Mpa；再将主测杯的气体压力调到实验压力3.5Mpa。
8.打开计算机中的测试软件，设置好采样时间。
9.主测杯放入加热套一定时间后，当温度达到实验温度时，点击测试软件上的“清零”和“开始”键；打开注液阀，将液体注入主测杯中，迅速关闭注液阀；打开主测杯的放气螺钉，调节主测杯中的压力至实验压力(为减少实验误差，上述三个操作最好在10s内完成)；则指定温度、压力条件下的膨胀实验正式开始。
10.每隔2min记录粘土试样的膨胀量，当膨胀量达到稳定时，停止实验。
11.关闭总气源阀、主测杯上的放气螺钉、注液杯的连通阀杆，关闭主机电源；缓慢拧开注液杯上部的放气手柄，放出其中的气体；松开减压阀(连接两根输气管线)。
12.卸下容栅传感器、温度传感器，卸下与注液杯、主测杯相连的管线。
13.将主测杯从加热套中提出，置于空气中冷却(温度很高时，可用湿布冷却)，至温度T≤40℃，松开主测杯的放气螺钉和注液杯上部的连通阀杆，放掉杯内余压。
14.确认主测杯和注液杯内没有气压后，卸下注液杯杯盖，松开主测杯上盖和下盖的紧固螺钉，卸下主测杯的上、下杯盖，取出岩样模，清洗导杆端面以及主测杯内壁，擦干后存放。
15.整理实验仪器，处理实验数据。
五．实验结果处理要求
地层温度= 70 ℃，地层压力= 3.5 MPa
粘土样品的初始高度h0= 10.30 mm
粘土膨胀率计算公式：
数据处理：
当t=3.0min时，ht-ho=0.047mm,
由粘土膨胀率计算公式：
其他计算同理可得，将计算得到的数据填入表一中
表一膨胀率与时间数据记录表
画出膨胀率与时间的曲线，如下图所示。
由上图的曲线趋势可以看出，压力和温度（高温高压）一定时，泥页岩的膨胀率随着时间的增加而逐渐增加。
六 .实验小结
1、粘土的水化膨胀机理（以蒙脱石为例） 答：蒙脱石的化学结构式为：Al2O3·4SiO2·H2O，粘土矿物中的蒙脱石是由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成。蒙脱石就是由这种片状结构通过分子间力堆叠而成的，层间表面均为氧层，层间含有K、Na、Ca、nH2O等元素。此类结构特点是晶体单元结构层内易出现晶格取代（例如硅被铝取代，铝被镁或铁取代），即晶体单元结构层内的阳离子（Al3+、Si4+）被其他阳离子（Mg2+、Ca2+、Na+等）部分置换，置换结果造成的第一种情况是正电荷亏损，使晶体结构中因缺少正电荷而出现电价不平衡现象，致使需要结合在晶体外表和晶层间的可交换性阳离子（Mg2+、Ca2+、H+、Na+等）来中和以平衡电价。当蒙脱石与水接触时，水即可进入蒙脱石的片状结构之间，引起平衡电价的阳离子在水中解离，形成扩散双电层，使晶体结构的表面带上负电。由于带负电的双电层之间的斥力，带负电的片状结构即将自行分开，产生所谓的粘土膨胀，故蒙脱石属膨胀型粘土矿物。粘土矿物的膨胀使地层空隙变得更加狭窄，对地层构成严重危害。第二种情况是引起电荷不均匀，八面体片内的平衡电荷（33%）大于四面体片内的平衡电荷（<15%），即阳离子替换后的主要电荷在八面体上，可是它距层间的阳离子远，吸引力弱，尤其是对水合阳离子更弱。因此，层间可替换的阳离子可自由地进出，为阳离子替换提供了十分有利的条件，又由于相邻两晶层为氧原子面与氧原 子面相邻接，层间无氢键力，仅是范德华力，联系较弱，所以允许这些阳离子带着大量水分子和其他极性分子进入晶层，表现出明显的膨胀性。
2、粘土矿物的水化膨胀对储层有哪些损伤？ 答：（1）粘土矿物水化膨胀会引起储层发生水敏现象，水敏性是指岩石与外来水接触后，其中的粘土矿物发生膨胀水化、分散脱落、运移，而导致地层渗透率降低的现象。 （2）粘土矿物水化膨胀使矿物表面的物质脱落分解，随流体移动，可能会堵塞空隙喉道，不利于采油
3、防止钻井过程中粘土膨胀的措施。 答：钻井过程中选用非水非极性的钻井液，尽量避开粘土层，在粘土层快速钻进并用套管隔绝钻井液和地层。
4 、黏土矿物水化膨胀的影响因素？ 答：黏土矿物在不同温度、压力和接触液条件下的水化膨胀特征。结果表明：温度超过100℃时，温度对黏土矿物水化膨胀的影响显著，温度低于80℃时，温度对黏土矿物水化膨胀的影响不大；压力对膨润土水化膨胀的影响规律性不强；压力和温度同时作用，对黏土矿物水化膨胀影响比较复杂，影响结果取决于两种因素中哪一种占主导地位。
七.实验总结
通过这次试验，知道了泥页岩膨胀机理，了解高温高压泥页岩膨胀仪的工作原理及仪器结构，同时掌握泥页岩膨胀率测定及计算方法。本次试验较复杂，实验时要小心谨慎，可能因为一步失误就会造成整个实验的失败。感谢老师的悉心指导！