穩(wěn)態(tài)法測量固體導熱系數(shù).ppt

1、用穩(wěn)態(tài)法測量材料的導熱系數(shù),一、背景 熱量的傳遞一般分為三種：熱傳導、熱對流、以及熱輻射。其中的熱傳導是指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換的過程。從微觀上說，熱傳導或者說導熱過程是以自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程；從宏觀上說，它是由于物體內(nèi)部存在溫度梯度，而發(fā)生從高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。不同物體的導熱性能各不相同，導熱性能較好的物體稱為良熱導體，導熱性能較差的物體稱為不良熱導體。,定量描述物體導熱性能的物理量是導熱系數(shù)，一般說來，金屬的導熱系數(shù)比非金屬的要大；固體的導熱系數(shù)比液體的要大；氣體的導熱系數(shù)最小。 導熱系數(shù)是描述材料性能的一個重要參數(shù)，在鍋爐制造、房屋

2、設計、冰箱生產(chǎn)等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)，而且通過研究物質(zhì)的導熱系數(shù)，還可以進一步了解物質(zhì)組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。所以，導熱系數(shù)的研究和測定有著重要的實際意義。在科學實驗和工程設計中，,所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。其測量方法大致上有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩類。 穩(wěn)態(tài)法是在加熱和散熱達到平衡狀態(tài)、樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度分布的條件下進行測量。非穩(wěn)態(tài)法則是指在測量過程中樣品內(nèi)部的溫度分布是變化的，變化規(guī)律不僅受實驗條件的影響，還與待測樣品的導熱系數(shù)有關。本實驗介紹一種比較簡單的利用穩(wěn)態(tài)法測定不良導體導熱系數(shù)的方法。,二、實驗目的 1了解熱傳導現(xiàn)象的物理過程。 2了解物體散熱速率和傳熱速率的關

3、系。 3學會用鉑電阻型傳感器測定溫度。 4學習一種測量材料導熱系數(shù)的實驗方法。,三、實驗原理,圖一 導熱系數(shù)實驗裝置示意圖,當如圖一所示的系統(tǒng)達到熱平衡時，通過待測樣品的傳熱速率和散熱銅盤向側(cè)面和下面的散熱速率相同，即有,（1,（1）,式（1）中10、20是傳熱穩(wěn)定時的樣品上下表面溫度， 是樣品的傳熱速率， 是銅盤散熱率。,根據(jù)傅立葉的熱傳導定律，（1）式左邊可以寫為：,（2）,而根據(jù)物體的散熱率與冷卻率之間的關系，（1）式右邊可以寫為：,（3）,式(3)中M 是散熱紫銅盤的質(zhì)量，C 是其比熱。,這樣，只要測出散熱銅盤的冷卻速率 ，就 可以聯(lián)立（1）、（2）及（3）式而得出導熱系數(shù)，但是，當散

4、熱銅盤處在穩(wěn)定系統(tǒng)中時，其冷卻速率不方便測,量，必須將它獨立放在空氣中才可以測量，這時相應的冷卻速率我們不妨記為 ，根據(jù)散熱速率也即冷卻速率與表面積成正比的規(guī)律，可以有如下的關系式成立：,于是我們可以進一步得出導熱系數(shù)的表示式為：,（4）,四、實驗儀器 1TC-3B型測試儀和測試架 2待測樣品（環(huán)氧圓盤、硅橡膠盤） 3游標卡尺 4手套,五、實驗過程 1、測量樣品盤及散熱銅盤的幾何尺寸和其它有關參數(shù)； 2、安裝儀器，置放溫度傳感器，設置溫度參數(shù)； 3、打開加熱開關加熱，每2分鐘記錄一次散熱銅盤的溫度，等待穩(wěn)定狀態(tài)到來； 4、達到穩(wěn)態(tài)時，記錄樣品上下表面的溫度（10和20）； 5、去掉樣品后，讓散

5、熱銅盤在穩(wěn)定溫度 20的基礎上升溫若干度，然后讓其在空氣中自然冷卻，記錄其溫度隨時間降低的數(shù)據(jù)（每30秒記錄一次），記到20 以下至少有五個數(shù)據(jù)。,六、數(shù)據(jù)處理 1將測量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格。 2 利用散熱盤溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)作散熱曲線，并選擇20附近10組數(shù)據(jù)， 用逐差法計算散熱盤散熱速率 ，進而計算待測樣品導熱系數(shù)。 3計算不確定度U，并給出結(jié)果表述。 說明：因本實驗主要誤差來源于散熱速率的測量，所以計算不確定度時，只考慮這一項即可。,七、注意事項 1實驗操作過程中，要注意防止高溫燙傷； 2測溫傳感器插入小孔時抹些硅油，并插到孔洞底部，使之保證良好接觸； 3實驗前，要標定一下兩測溫傳感器，若不一致，要進行修正； 4用穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)時，要使溫度穩(wěn)定下來，約要半個小時左右。待2的數(shù)值在數(shù)分鐘內(nèi)不變時，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)。（由于控溫精度有限， 1、2 的讀數(shù)可能會出現(xiàn)波動 ） 5 測量穩(wěn)態(tài)溫度和散熱速率過程中，要注意保持一樣的環(huán)境條件。 6.實驗之后，整理好儀器設備，做好清潔衛(wèi)生。,物體的散熱（或冷卻）遵守牛頓冷卻定律，冷卻的快慢用冷卻速率來表示，冷卻的快慢與物體及環(huán)境間的溫差、物體的散熱面積、冷卻介質(zhì)、傳熱方式（熱傳導、熱對流以及熱輻射）等因素有關，冷卻曲線在溫度范圍不太大時，局部可以用線性關系近似。,附錄 物體的冷卻速率,附錄 鉑金屬熱電阻測溫原理電路圖,Rt為