固體熱導(dǎo)率測(cè)定的研究

固體熱導(dǎo)率測(cè)定的研究實(shí)驗(yàn)者：A11儲(chǔ)運(yùn)2賈倩云（110701239）656994同組實(shí)驗(yàn)者：A11儲(chǔ)運(yùn)2郝睿智（110702237）662694指導(dǎo)老師：竺江峰摘要：用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定在杜瓦瓶?jī)?nèi)放一定的冰水混合物，在降溫時(shí)分別打到Ⅰ，II檔時(shí)的結(jié)果，觀察測(cè)定結(jié)果，比較兩種情況下實(shí)驗(yàn)的精確度。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)法固體熱導(dǎo)率硅膠圓盤引言：在對(duì)固體熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，降溫速度的快慢可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和精確度。所以本實(shí)驗(yàn)在改變降溫時(shí)的檔次選擇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，觀察分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果散熱時(shí)打在Ⅰ，II檔影響不大。實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此間相聚為h、溫度分別為和(設(shè)>)的平行平面，若平面面積均為，則在時(shí)間內(nèi)通過面積的熱量滿足下述表達(dá)式：（12-1）式中即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率，也稱導(dǎo)熱系數(shù)。由此可知，熱導(dǎo)率是一個(gè)表示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量，其數(shù)值等于兩相距單位長(zhǎng)度的平行平面上、當(dāng)溫度相差一個(gè)單位時(shí)、在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積所流過的熱量，其單位為W/mK。材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)多寡對(duì)熱導(dǎo)率都有明顯的影響；同時(shí)。熱導(dǎo)率一伴隨溫度而變化，所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)材料成分、溫度等都要一并記錄。在支架上先放上圓筒盤B，在B的上面放上待測(cè)樣品C（圓盤形的不良導(dǎo)體），再把帶發(fā)熱器的圓銅盤A放在C上。發(fā)熱器通電后，熱量從A盤傳到C盤，再傳到B盤，由于A、B盤都是良導(dǎo)體，其溫度即可以代表C盤上、下表面的溫度和，、分別由插入A、B盤邊緣小孔的熱電偶I來測(cè)量，熱電偶的冷端則浸在杜瓦瓶G中的冰水混合物，通過傳感器切換開關(guān)切換A、B盤中的熱電偶、與數(shù)字電壓表F的連接回路。由式（12-1）可以知道，單位時(shí)間內(nèi)通過待測(cè)樣品C任一圓截面的熱流量為：（12-2）式中為樣品的半徑，為樣品的厚度。當(dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，和的值不變，于是通過樣品盤C上表面的熱流量與由散熱銅盤B向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤B在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速率來求出熱流量。實(shí)驗(yàn)中，在讀的穩(wěn)定時(shí)的、后，即可將C盤移去，而使盤A的底面與銅盤B直接接觸。當(dāng)盤B的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的值若干攝氏度或（0.2mV）后，再將圓盤A移開，讓銅盤B自然冷卻。觀察其溫度隨時(shí)間t變化情況，然后由此求出銅盤B在的冷卻速率，而（為紫銅盤B的質(zhì)量，c為銅材的比熱容），就是紫銅盤B在溫度為時(shí)的散熱速率。但要注意：這樣求出的是紫銅盤的全部表面暴露于空氣中的冷卻速度，其散熱表面積為（其中和分別為紫銅盤B的半徑與厚度）。然而，在觀察測(cè)試樣品C的穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，B盤的上表面（面積為）是被樣品覆蓋著的?？紤]到物體的冷卻速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)銅盤B散熱速率的表達(dá)式應(yīng)做如下修正(12-3)將式（12-3）代入（12-2）得(12-4)式中：mB——散熱銅盤B的質(zhì)量（kg）c——銅的比熱容(J/kg·K)——散熱盤在溫度下的散熱速率（mv/s）RB——散熱盤B的半徑（cm）hB——散熱盤B的厚度（cm）RC——硅膠C的半徑（cm）h——硅膠厚度（cm）——硅膠上端溫度（mv）——硅膠下端溫度（mv）——穩(wěn)態(tài)時(shí)硅膠的溫度（mv）調(diào)試方案設(shè)計(jì):1、TC-3型熱導(dǎo)率測(cè)定儀，橡膠樣品，游標(biāo)卡尺，冰水，硅油。使用注意：（1）使用前將加熱銅板A與散熱銅板B擦干凈，樣品兩端擦干凈后，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。（2）實(shí)驗(yàn)過程中，如需觸及電熱板，應(yīng)先關(guān)閉電源，以免燙傷。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)切斷電源，妥為放置測(cè)量樣品，不要使樣品兩端面劃傷而影響實(shí)驗(yàn)的正確性。2、調(diào)試方法步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)量熱導(dǎo)率前應(yīng)先接通電源,加熱器開關(guān)打到高熱(Ⅲ)檔，并對(duì)散熱盤B和待測(cè)樣品盤C的直徑、厚度進(jìn)行測(cè)量。（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品盤C直徑和厚度，各測(cè)1次。（2）用游標(biāo)卡尺測(cè)量散熱盤B的直徑和厚度，各測(cè)一次，計(jì)算B盤的質(zhì)量，也可直接用天平稱出B盤的質(zhì)量。1.不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量（1）把橡膠盤C放入加熱盤A和散熱盤B之間，用三個(gè)螺旋頭E夾緊（擰去固定軸H不用）。（2）在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，將兩熱電偶I的冷端（兩條黑線）插入杜瓦瓶中，熱電偶的熱端（兩條紅線）分別插入加熱盤A和散熱盤B側(cè)面的小孔中，并將其溫差電動(dòng)勢(shì)輸出的插頭分別插到儀器面板的傳感器插座和，如圖12-2所示。注意：1）圓筒發(fā)熱體盤A側(cè)面和散熱盤B的側(cè)面，都有供安插熱電偶I的小孔，安放發(fā)熱盤A時(shí)此兩小孔都應(yīng)與杜瓦瓶在同一側(cè)，以免路線錯(cuò)亂。熱電偶插入小孔時(shí)，要抹上一些硅油，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端插入浸于冰水中的細(xì)玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)也要灌入適當(dāng)?shù)墓栌汀?）本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶，溫差100K時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)約4.2mV（3）測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)和的數(shù)值。接通電源，打開電視開關(guān)(使散熱盤有效、穩(wěn)定的散熱)，將“溫度控制PID”儀表上設(shè)置加溫的上線溫度（100℃），加熱器開關(guān)打到高熱(Ⅲ)檔，當(dāng)傳感器的溫度約為4mV左右時(shí)，再將加熱開關(guān)置于“Ⅱ”或“Ⅰ”檔，降低加熱電壓。使加熱盤A和散熱盤B逐步達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布（約需40分鐘時(shí)間）。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，每隔3分鐘記錄和的值注意：當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，和的數(shù)值在10分鐘內(nèi)的變化小于0.03毫伏，或的數(shù)值在10分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，約需40分鐘時(shí)間。說明：對(duì)一般熱電偶來說，溫度變化范圍不太大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)mV值與待測(cè)溫度值的比是一個(gè)常數(shù)，因此，在用公式（12-4）計(jì)算熱導(dǎo)率時(shí)，可以直接用溫差電動(dòng)勢(shì)值取代溫度值。（4）測(cè)量散熱盤B在溫度穩(wěn)態(tài)值附近的散熱速率。移開圓盤A，取下橡膠盤C，并使圓盤A的底面與銅盤B直接接觸，當(dāng)盤B的溫度上升到高于穩(wěn)定態(tài)的值若干度（0.2mV左右）后，關(guān)掉加熱器開關(guān)(電扇仍處于工作狀態(tài))，將A盤移開（注意：此時(shí)橡膠盤C不再放上），讓銅盤B自然冷卻，記錄共約6~8次，每隔30秒一次（注意：記錄的數(shù)據(jù)必須保證溫度穩(wěn)態(tài)值在其測(cè)量范圍以內(nèi)）。（5）關(guān)掉電扇開關(guān)和電源開關(guān)數(shù)據(jù)處理:基本數(shù)據(jù)：銅的比熱容：C=385.06室溫：T=（281.950.05）K散熱盤B直徑2=(130.040.02)mm,半徑=(65.020.02)mm厚度=(7.120.02)mm,質(zhì)量=(8782)Kg(2)橡膠盤C直徑2=(129.600.02)mm,半徑=（64.800.02）mm厚度=（8.080.02）mm實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：散熱時(shí)打在Ⅰ檔橡膠圓盤穩(wěn)態(tài)時(shí)、的數(shù)據(jù)（每隔3分鐘記錄）。次數(shù)12345平均（mV）2.332.332.332.332.332.33（mV）1.411.411.411.411.411.41散熱速率T(s)0306090120150180（mV/s）（mV）1.611.561.471.421.361.311.261.93根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率=(2.33+2.33+2.33+2.33+2.33)/5=2.33（mV）=(1.41+1.41+1.41+1.41+1.41)/5=1.41（mV）t=30(s)T=（0.05+0.09+0.05+0.05+0.05+0.05）/6=0.058（mV/s）=0.058/30=1.93（mV/s）==1.64(2).散熱是打在II檔橡膠圓盤穩(wěn)態(tài)時(shí)、的數(shù)據(jù)（每隔3分鐘記錄）。次數(shù)12345平均（mV）2.392.392.392.392.392.39（mV）1.431.431.431.431.431.43散熱速率T(s)0306090120150180（mV/s）（mV）1.681.641.591.541.491.431.281.78=（2.39+2.39+2.39+2.39+2.39）/5=2.39（mV）=(1.43+1.43+1.43+1.43+1.43)/5=1.43（mV）t=30(s)T=（0.04+0.05+0.06+0.06+0.06+0.05）/6=0.053（mV/s）=0.053/30=1.78（mV/s）==1.62相對(duì)偏差的計(jì)算：實(shí)驗(yàn)室采用的不良導(dǎo)體為硅膠盤，其熱導(dǎo)率的理論參考值為0.072～0.165W/(m·K)。理論參考值取0.165W/(m·K)：=%=1.1%=%=1.8%結(jié)論或總結(jié):由于此次實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，有6個(gè)多小時(shí)