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用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告

用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告
用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告

用准稳态法测介质的导热系数和比热

热传导是热传递三种基本方式之一。导热系数定义为单位温度梯度下每单位时间内由单位面积传递的热量,单位为W / (m ? K)。它表征物体导热能力的大小。

比热是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质,在温度升高(或降低)1度时所吸收(或放出)的热量,叫做这种物质的比热,单位为J/(kg ·K )。

测量导热系数和比热通常都用稳态法,使用稳态法要求温度和热流量均要稳定,但在实际操作中要实现这样的条件比较困难,因而会导致测量的重复性、稳定性、一致性较差,误差也较大。为了克服稳态法测量的这些弊端,本实验使用了一种新的测量方法——准稳态法,使用准稳态法只要求温差恒定和温升速率恒定,而不必通过长时间的加热达到稳态,就可以通过简单的计算得到导热系数和比热。

【实验目的】

1. 了解准稳态法测量导热系数和比热的原理;

2. 学习热电偶测量温度的原理和使用方法;

3. 用准稳态法测量不良导体的导热系数和比热。

【实验仪器】

1. ZKY-BRDR 型准稳态法比热、导热系数测定仪

2. 实验装置一个,实验样品两套(橡胶和有机玻璃,每套四块),加热板两块,热电偶两只,导线若干,保温杯一个

【实验原理】

1. 准稳态法测量原理

考虑如图B2-1所示的一维无限大导热模型:一无限大不良导体平板厚度为R 2,初始温度为0t ,现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度c q ,则平板各处的温度),(τx t 将随加热时间τ而变化。

以试样中心为坐标原点,上述模型的数学描述可表达如下:

????

????

?==??=????=??02

2)0,(0),0(),(),(),(t x t x t q x

R t x x t a x t c τλτττ

τ 式中c a ρλ/=,λ为材料的导热系数,ρ为材料的密度,c 为材料的比热。

可以给出此方程的解为(参见附录):

)cos )1(2621(),(2212

1

220τ

ππ

πτλτR an n n c e

x R

n n R R x R R a q t x t -

=+?∑

-+-++=

(B2-1)

考察),(τx t 的解析式(B2-1)可以看到,随加热时间的增加,样品各处的温度将发生变化,而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因,会随加热时间的增加而逐渐变小,直至所占份额可以忽略不计。

定量分析表明,当5.02

>R

a τ以后,上述级数求和项可以忽略。这时式(B2-1)可简写成:

图B2-1理想的无限大不良导体平板

??

?

???-++=62),(20R R x R a q t x t c τλτ (B2-2)

这时,在试件中心处(0=x )有:

???

??

?-+

=6),(0R R a q t x t c τλτ (B2-3)

在试件加热面处(R x ±=)有:

??

?

???++

=3),(0R R a q t x t c τλτ (B2-4) 由式(B2-3)和(B2-4)可见,当加热时间满足条件

5.02>R

a τ

时,在试件中心面和加热面处温度和加热时间成线性关系,温升速率都为

R

q a t c

λτ=

??,此值是一个和材料导热性能和实验条件有关的常数,此时加热面和中心面间的温度差为:

λ

ττR

q t R t t c 21),0(),(=

-=? (B2-5)

由式(B2-5)可以看出,此时加热面和中心面间的温度差t ?和加热时间τ没有直接关系,保持恒定。系统各处的温度和时间呈线性关系,温升速率也相同,我们称此种状态为准稳态。 当系统达到准稳态时,由式(B2-5)得到

t

R

q c ?=

2λ (B2-6) 根据式(B2-6),只要测量进入准稳态后加热面和中心面间的温度差t ?,并由实验条件确定相关参量c q 和R ,则可以得到待测材料的导热系数λ。

另外在进入准稳态后,由比热的定义和能量守恒关系,可以得到下列关系式:

τ

ρ??=t

R

c q c (B2-7) 比热为:

τ

ρ??=

t R

q c c

(B2-8) 式中

τ

??t

为准稳态条件下试件中心面的温升速率(进入准稳态后各点的温升速率是相同的)。 由以上分析可以得到结论:只要在上述模型中测量出系统进入准稳态后加热面和中心面间的温度差和中心面的温升速率,即可由式(B2-6)和式(B2-8)得到待测材料的导热系数和比热。

2. 热电偶温度传感器

热电偶结构简单,具有较高的测量准确度,测温范围为-50~1600°C ,在温度测量中应用极为广泛。

由A 、B 两种不同的导体两端相互紧密的连接在一起,组成一个闭合回路,如图B2-2(a )所示。当两接点温度不等(T>T 0)时,回路中就会产生电动势,从而形成电流,这一现象称为热电效应,回路中产生的电动势称为热电势。

上述两种不同导体的组合称为热电偶,A 、B 两种导体称为热电极。两个接点,一个称为工作端

或热端(T ),测量时将它置于被测温度场中,另一个称为自由端或冷端(T 0),一般要求测量过程中恒定在某一温度。

理论分析和实践证明热电偶的如下基本定律:

热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个接点的温度,而与温度沿热电极的分布以及热电极的尺寸与形状无关(热电极的材质要求均匀)。

在A 、B 材料组成的热电偶回路中接入第三导体C ,只要引入的第三导体两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。在实际测温过程中,需要在回路中接入导线和测量仪表,相当于接入第三导体,常采用图B2-2(b )或B2-2(c )的接法。

热电偶的输出电压与温度并非线性关系。对于常用的热电偶,其热电势与温度的关系由热电偶特性分度表给出。测量时,若冷端温度为0℃,由测得的电压,通过对应分度表,即可查得所测的温度。若冷端温度不为零度,则通过一定的修正,也可得到温度值。在智能式测量仪表中,将有关参数输入计算程序,则可将测得的热电势直接转换为温度显示。

3. ZKY-BRDR 型准稳态法比热、导热系数测定仪简介

仪器设计必须尽可能满足理论模型。而模型中的无限大平板条件通常是无法满足的,实验中总是要用有限尺寸的试件来代替。但实验表明:当试件的横向线度大于厚度的六倍以上时,可以认为传热方向只在试件的厚度方向进行。

为了精确地确定加热面的热流密度c q ,利用超薄型加热器作为热源,其加热功率在整个加热面上均匀并可精确控制,加热器本身的热容可忽略不计。为了在加热器两侧得到相同的热阻,采用四个样品块的配置,可认为热流密度为功率密度的一半,如图B2-3所示。

为了精确地测出温度t 和温差t ?,可用两个分别放置在加热面中部和中心面中部的热电偶作为温度传感器来测量温升速率

τ

??t

和温差t ?。

实验仪主要包括主机和实验装置,另有一

图B2-2热电偶原理及接线示意图

(

)

T

T

(b)

(c)

个保温杯用于保证热电偶的冷端温度在实验中保持恒定。

3-1 主机

主机是控制整个实验操作并读取实验数据的装置,主机前、后面板如图B2-4,图B2-5所示。

8 9 10 11

图B2-5 主机后面板示意图

0—加热指示灯:指示加热控制开关的状态。亮时表示正在加热,灭时表示加热停止;

1—加热电压调节:调节加热电压的大小(范围:15.00V~19.99V);

2—电压表:显示两个电压,即“加热电压(V)”和“热电势(mV)”;

3—电压切换:在“加热电压”和“热电势”之间切换,同时“电压表”显示相应的电压;

4—加热计时显示:显示加热的时间,前两位表示分,后两位表示秒,最大显示99:59;

5—热电势切换:在“中心面-室温”的温差热电势和“中心面-加热面”的温差热电势之间切换,同时“电压表”显示相应的热电势数值;

6—清零:当不需要当前计时显示数值而需要重新计时时,可按此键实现清零;

7—电源开关:打开或关闭实验仪器。

8—电源插座:接220V,1.25A的交流电源;

9—控制信号:为放大盒及加热薄膜提供工作电压;

10—热电势输入:将传感器感应的热电势输入到主机;

11—加热控制:控制加热的开关。

3-2 实验装置

实验装置是安放实验样品和通过热电偶测温并放大感应信号的平台;实验装置采用了卧式插拔组合结构,直观,稳定,便于操作,易于维护,如图B2-6所示。

12—放大盒:将热电偶感应的电压信号放大并将此信号输入到主机;

13—中心面横梁:承载中心面的热电偶(图B2-7中的“左横梁”);

14—加热面横梁:承载加热面的热电偶(图B2-7中的“右横梁”);

15—隔热层:尽可能减少加热样品时的散热,以保证实验精度;

16—加热器(薄膜)的位置(在里面,每一加热薄膜的两侧可安装样品,结构如图B2-3所示; 17-中心面位置,放置中心面热电偶之处;

18-锁定杆:实验时锁定横梁,防止未松动螺杆取出热电偶导致热电偶损坏。 19—螺杆旋钮:推动隔热层压紧或松动实验样品和热电偶;

3-3 接线原理图及接线说明

实验时,将两只热电偶的热端分别置于样品的“加热面中心”和“中心面中心”,冷端置于保温杯中,接线插孔实物和接线原理如图B2-7、图B2-8所示。

⑴ 放大盒的两个“中心面热端+”相互短接再与左横梁的中心面热端 “+”相连(三个绿色插孔);

⑵ 放大盒的“中心面冷端+”与保温杯的“中心面冷端+”相连(二个蓝色插孔); ⑶ 放大盒的“加热面热端+”与右横梁的“加热面热端+”相连(二个黄色插孔);

13 14

12

15 16 16 17

18 图B2-6 实验装置正视图

15

19

七芯插座

图B2-7 保温杯和实验装置俯视图

放大盒

左横梁

右横梁

保温杯

⑷ “热电势输出-”和“热电势输出+”则与主机后面板的“热电势输入-”和“热电势输出+”相连(红连接红,黑连接黑);

⑸ 左、右横梁的两个“-”端分别与保温杯上相应的 “-”端相连(均为黑连黑); ⑹ 放大盒左侧面的七芯插座与后面板上的“控制信号”与相连。 主机面板上的热电势切换开关相当于图B2-8中的切换开关K

开关向上合时,B 点为热电偶的高温端,C 点为热电偶的低温端,测量的是“中心面与室温”间的温差热电势,而A 、D 部分不起作用;

开关向下合时,A 、D 点组合测量的是“加热面与室温”间的温差热电势,B 、C 点组合测量的是“中心面与室温”间的温差热电势。当它们串联起来时,由于C 、D 有相同的温度,故总的温差热电势就表示“加热面与中心面”的温差热电势。

【实验内容】

一、必做部分

测量有机玻璃样品的导热系数和比热容 1. 安装样品并连接各部分联线

用万用表检查两只热电偶冷端和热端的电阻值大小,一般在3~6欧姆内,如果偏差大于1欧姆,则可能是热电偶有问题,遇到此情况应请指导教师帮助解决。

旋松螺杆旋钮,轻轻拔出左、右两横梁(横梁下装有热电偶,小心!不能弄坏,且横梁的左右位置不能搞错),取出样品架。戴好手套(手套自备),以尽量保证四个实验样品初始温度保持一致。将冷却好的“有机玻璃样品”放进样品架中,并按原样安装好,然后旋动螺杆旋钮以压紧样品。在保温杯中加入自来水,水的容量约在保温杯容量的3/5为宜。根据实验要求连接好各部分连线(其中包括主机与样品架放大盒,放大盒与横梁,放大盒与保温杯,横梁与保温杯之间的连线)。

2. 设定加热电压

检查各部分接线是否有误,同时确认后面板上的“加热控制”开关已经关上。 ⑴ 打开主机电源,预热仪器10分钟左右。

⑵ 按下“电压切换” 按钮,切换到“加热电压”档位,旋转“加热电压调节”旋钮到所需要的电压。(参考加热电压:约18V )

3. 测定样品“加热面与中心面”间的温度差和“中心面”的升温速率

保 温 杯

放大盒 左横梁

右横梁

中心面冷端+

中心面热端+

热电势输出-

热电势输出+

中心面热端+

加热面热端+

加热面热端-

中心面热端-

图B2-8 接线方法和测量原理图

置于中心面

置于加热面

置于保温杯

A

B

C

D K

⑴ 弹出“电压切换” 按钮,切换到“热电势”档位;弹出“热电势切换” 按钮,切换到“温差”档位。

⑵ 等待!!让显示的“温差热电势”的绝对值小于0.004mV (如果实验要求精度不高,此条件可以放宽到 0.010左右,但不能太大,以免降低实验的准确性)。

⑶ 保证上述⑵的条件后,打开主机背面的“加热控制”开关,并开始记录数据。记数据时,每隔1分钟分别记录一次“加热面与中心面之间的温差热电势”和“中心面热电势”。一次实验时间应在25分钟之内完成,一般在16分钟左右为宜)。

技巧:读数时,要来回“按下”或“弹出”“热电势切换”按钮,以读到温差热电势值Vt 和中心面热电势V 。实验时,可先读Vt ,过半分钟后读V ,再过半分钟读V t ……这样能保证Vt 读数的间隔是1分钟,V 读数的间隔也是1分钟。

⑷ 根据数据,计算“加热面与中心面”间的温度差t ?和“中心面”的升温速率τ

??t 4. 由式(B2-6)和式(B2-8)计算有机玻璃的导热系数λ和比热容c 。

二、选做部分

测量橡胶样品的导热系数和比热容

测量过第一个样品如需要更换样品进行下一次实验时,其操作顺序是:关闭加热控制开关 → 关闭电源开关 →旋螺杆以松动实验样品 →取出实验样品→取下热电偶传感器→取出加热薄膜冷却。至常温后,再安装新的样品。

注意:在取样品的时候,必须先将中心面横梁热电偶取出,再取出实验样品,最后取出加热面横梁热电偶。严禁以热电偶弯折的方法取出实验样品,这样将会大大减小热电偶的使用寿命。

操作同“必选部分”

【数据与结果】

一、必做部分

测量有机玻璃样品的导热系数和比热容

表B2-1 测量有机玻璃样品的导热系数及比热容数据

将t V 和V ?换算为“加热面与中心面”之间的温度差t ?和“中心面”的升温速率

τ

? 铜—康铜热电偶的热电常数为0.04mV/K 。即温度每差1度,温差热电势为0.04mV 。据此可将温度差和升温速率的电压值换算为温度值:

温度差 )(04

.0k V t t

==

? , 升温速率

)/(04

.060s k V t =??=??τ

已知的有关参量有:样品厚度m R 010.0=,有机玻璃密度ρ=11963/m kg ,橡胶密度

ρ=13743

/m kg ,热流密度)/(222

m w Fr

V q c =,式中V 为两并联加热器的加热电压,

m m A F 09.009.0??=为边缘修正后的加热面积,A 为修正系数,对于有机玻璃和橡胶,Ω==110,85.0r A 为每个加热器的电阻。

二、选做部分

测量橡胶样品的导热系数和比热容

数据表格和处理可参照“一、必做部分”

【问题思考】

【附】热传导方程的求解

在我们的实验条件下,以试样中心为坐标原点,温度t 随位置x 和时间τ的变化关系),(τx t 可用如下的热传导方程及边界,初始条件描述

???

?

??

???==??=????=??02

2)0,(0)

,0(),()

,(),(t x t x t q x R t x x t a x t c τλττττ (1) 式中c a ρλ/=,λ为材料的导热系数,ρ为材料的密度,c 为材料的比热, c q 为从边界向中间施加的热流密度, 0t 为初始温度。

为求解方程(1),应先作变量代换,将(1)式的边界条件换为齐次的,同时使新变量的方程尽量简洁,故此设

22),(),(x R

q

R aq x u x t c c λτλττ++

= (2)

将(2)式代入(1)式,得到),(τx u 满足的方程及边界,初始条件

??

??

??

??

?-==??=????=??202

22)0,(0)

,0(0),()

,(),(x R q t x u x u x

R u x x u a x u c λτττττ (3) 用分离变量法解方程(3),设

)()(),(ττT x X x u ?= (4) 代入(3)中第1个方程后得出变量分离的方程

0)()(2'=+ταβτT T (5) 0)()(2"=+x X x X β (6) (5),(6)式中β为待定常数。 方程(5)的解为

τ

αβτ2)(-=e

T (7)

方程(6)的通解为

x c x c x X ββs i n c o s

)('

+= (8) 为使(4)式是方程(3)的解,(8)式中的c ,'

c ,β的取值必须使)(x X 满足方程(3)的边界条件,即必须0'

=c ,R n /πβ=。

由此得到),(τx u 满足边界条件的1组特解 τ

ππ

τ2

22cos ),(R an n n e

x R

n c x u -?= (9)

将所有特解求和,并代入初始条件,得

∑-=∞

=0

202cos

n c n x R

q t x R n c λπ

(10) 为满足初始条件,令n c 为2

02x R

q t c λ-

的傅氏余弦展开式的系数

λ

λ6)2(100200R q t dx x R

q t R c c R

c -

=-=

? (11)

2

210202)1(c o s )2(2π

λπλn R

q x d x R

n x R q t R c c n R c n +-=?-=

(12)

将C 0,C n 的值代入(9)式,并将所有特解求和,得到满足方程(3)条件的解为

τ

ππ

λπλτ2

22cos )

1(26),(12

1

20R an n n c c e

x R

n n R q R q t x u -

=+?-+-=∑

(13)

将(13)式代入(2)式可得

)cos )

1(2621(),(2212

1

220τ

ππ

πτλτR an n n c e

x R

n n R R x R R a q t x t -

=+?∑

-+-++=

上式即

为正文中的(1)式。

物理实验报告-稳态法导热系数测定实验

稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验,掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型,这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形,薄板的一个表面进行加热,另一个表面则进行冷却,建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成,包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键,“±”正负号转换键,“RST”复位键,“ON/OFF”开关键。 数据键:根据不同的功能对相应的数据进行加减,与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键:当“±”正负号转换键为“+”时,在原数据基础上加相应的数值;为“-”时,减相应的数值。“RST”复位键:复位数据,重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶,发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压,电位器对每路输出电压进行调整,作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料,搭建实验台,合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器),并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理,确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度,测试样3个点的厚度,取其算术平均值,作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率,通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度,根据主加热板的温度,调整电位器改变施加在副加热板的电压,使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时,认为达到稳态。此时,记录主加热板温度、试样两面温差。

导热系数的测量实验报告

导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样,只要测量低温侧

铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R

常用材料的导热系数表

材料的导热率 傅力叶方程式: Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量,W;K: 导热率,W/mk;A:接触面积;d: 热量传递距离;△T:温度差;R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数,用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的,只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的,并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并,可以得到 K=d/R。因为K值是不变的,可以看得出热阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚,热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料,会发现很多导热材料的热阻值R,同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成,相应会有非线性变化。厚度增加,热阻值一定会增大,但不一定是完全成正比的线性关系,可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式,理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式,他设定的条件是:接触面是完全光滑和平整的,所有热量全部通过热传导的方式经过材料,并达到另一端。

实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值,应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同,就会产生不同的接触面热阻值,也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件,就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候,选用多大的接触面积A,多大的热量值Q,以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料,而得出的结果,才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值,并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样,很多参数是无法真正的量化的,只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据,人们可以将一些数据量化,而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语,“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理,根据热阻值以及厚度,再计算出来的导热率K值,也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式,是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型,会有很多的修正公式,来完善所有的环节可能出现的问题。总之: a. 同样的材料,导热率是一个不变的数值,热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料,厚度越大,可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多,所耗的

实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数

实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 【实验原理】 1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为1θ、2θ,根据傅立叶传导方程,在时间内通过样品的热量满足下式: t ΔQ ΔS h t Q B 21 θθλ?=ΔΔ (1) 式中λ为样品的导热系数,为样品的厚度,为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的直径为,则由(1)式得: B h S B d

导热系数实验报告

一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 三、【实验原理】 1、良导体(金属、空气)导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面(设θ1>θ2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式: h S t Q ) (21θθλ-=?? (3-26-1) 式中, t Q ??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B ,再把带发热器的圆铜盘A 放 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置

在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2,θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G ,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中,R B 为样品的半径,h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,θ1和θ2的值不变, 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中,在读得稳定时θ1和θ2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体(橡皮)的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法,在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C .H .Le e s .首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为 12θθ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式:S h t Q B 21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ,则半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? (2)

导热系数实验报告

一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 三、【实验原理】 1、良导体(金属、空气)导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面(设θ1>θ2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式: h S t Q ) (21θθλ-=?? (3-26-1) 式中, t Q ??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B ,再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2,θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G ,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置

2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中,R B 为样品的半径,h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,θ1和θ2的值不变, 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中,在读得稳定时θ1和θ2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体(橡皮)的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法,在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C .H .Le e s .首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为 12θθ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式:S h t Q B 21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ,则半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? (2) 实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 可以借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ,样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。

准稳态法测量比导热系数

准稳态法测量比导热系数

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准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理; 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容,热传递的三种基本方式包括热传导,热对流和热辐射,而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法,但是该方法要求温度和热流量均要稳定,因而要求实验条件较为严格,从而导致了该方法测量的重复性,稳定性及一致性差,误差大。该实验采用一种新的测量方法,即准稳态方法,实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定,而不必通过长时间的加热达到稳态,就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质,在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量,叫做这种物质的比热,单位为J/(kg·K),它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下,单位时间内由单位面积传递的热量,单位为W/(m·K),即瓦/(米·开),它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用,如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性,开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数,有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面,由于道路结构处于不断变化的温度环境中,了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数,能够使人们精确的模拟道路结构温度场,了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数,有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪; 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套,(每套四块),加热板两块,热电偶两只, 导线若干,保温杯一个。 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型:一无限大 不良导体平板厚度为2R,初始温度为t0,现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c,则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点,上述模型的数学描述可表 达如下: R R x q c q c q c q c 图1理想的无限大

导热系数实验报告

用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、 秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 三、【实验原理】 1、良导体(金属、空气)导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相 距为 h 、温度分别为O K 6:的平行平面(设0/5),若平面面积均为S,在△『时 间内通过面积S 的热量A0免租下述表达式: △0 一胭 ?一 2) A/ h (3-26-1) & & & 丙1 T7T\ *TV T*?r?*7 TT m R

式中,普为热流量;2即为该物质的导热系数,兄在数值上等于相距单位长度的 两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是 W/(加?K )。 在支架上先放上圆铜盘P,在P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜 盘A 放在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都 是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度X 、02, Ox. 02分别插入A 、 P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中, 通过“传感器切换”开关G,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。 由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 咚=久?_&2)凤 (3-26-2) 式中,弘为样品的半径,矗为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,X 和5的 值不变,遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等, 因此,可通过铜盘P 在稳定温度匚的散热速率来求出热流量昱。实验中,在读得 稳定时0】和匹后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的0:值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。 观察其温度0随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在0:的冷却速率竺 2、不良导体(橡皮)的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同 对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具 体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法,在稳态法中,先利用热源对样品加热, 样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢 和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程 达到平衡状态,则 ,而 △ & me —— ,就是铜盘P 在温度为0 2时的散热速率。

常用材料的导热系数表

材料的导热 傅力叶方程式: Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量,W;K: 导热率,W/mk;A:接触面积;d: 热量传递距离;△T:温度差;R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数,用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的,只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的,并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并,可以得到 K=d/R。因为K值是不变的,可以看得出热阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚,热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料,会发现很多导热材料的热阻值R,同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成,相应会有非线性变化。厚度增加,热阻值一定会增大,但不一定是完全成正比的线性关系,可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式,理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式,他设定的条件是:接触面是完全光滑和平整的,所有热量全部通过热传导的方式经过材料,并达到另一端。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值,应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同,就会产生不同的接触面热阻值,也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件,就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候,选用多大的接触面积A,多大的热量值Q,以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料,而得出的结果,才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值,并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样,很多参数是无法真正的量化的,只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据,人们可以将一些数据量化,而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语,“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理,根据热阻值以及厚度,再计算出来的导热率K值,也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式,是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型,会有很多的修正公式,来完善所有的环节可能出现的问题。 总之: a. 同样的材料,导热率是一个不变的数值,热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料,厚度越大,可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多,所耗的时间也越多,效能也越差。 c. 对于导热材料,选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。选择导热率很高的材料,但是厚度很大,也是

导热系数的测量实验报告

导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: B B h T T R t Q )(212-???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。 这样,只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热

材料导热系数测试实验

东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能,同一个物体不同区域如果温度不等,则他们热运动的激烈程度不同,含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域,在相互靠近或接触时,会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中,材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下,1m 厚的材料,两侧表面的温差为1K ,在1s 钟内,通过1m2面积传递的热量,单位为 W/(m ·K),也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子,因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。 1)电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热,在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中,声子导热所占比例逐渐增大。 2)光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波,其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域,这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1)温度 金属以电子导热为主,电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡,从而形成对热量传输的阻力。 一般来说,纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低;而今导热系数一般随温度的升高而升高;玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2)原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的,导电性能良好的、德拜温度较

导热系数测量实验报告

导热系数测量实验报告 篇一:导热系数实验报告 实验用稳态平板法测定不良导体的导热系数实验报告 一、实验目的. (1)用稳态平板法测定不良导体的导热系数. (2)利用物体的散热速率求传热速率. 二、实验器材. 实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、数字式电压表. 三、实验原理. 导热是物体相互接触时,由高温部分向低温部分传播热量的过程.当温度的变化只是沿着一个方向(设z方向)进行时,热传导的基本公式可写为 dT dQ=?λ ????????? ---------------------------------------------() 它表示在dt时间内通过dS面积的

热量dQλ为导热系数,它的大小由物体????dT 本身的物理性质决定,单位为W????1????1,它是表征物质导热性能大小的物理量,式中符号表示热量传递向着温度降低的方向进行. 在图中,B为待测物,它的上下表面分别和上下铜、铝盘接触,热量由高温铝盘通过待测物B向低温铜盘传递.若B很薄,则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计,视热量只沿着垂直待测板B的方向传递.那么在稳定导热(即温度场中各点的温度不随时间而变)的情况下,在?t时间内,通过面积为S、厚度为L的匀质圆板的热量为??? ?????? ---------------------------------------------()式中,???为匀质圆板两板面的恒定温差,若把()式写成 ?Q=?λ ??????

=?λ?? ---------------------------------------------()的形式,那么???便为待测物的导热速率,只要知道了导热速率,由()式即可求出λ. 实验中,使上铝盘A和下铜盘P分别达到恒定温度??1、??2,并设??1>??2,即热量由上而下传递,通过下铜盘P向周围散热.因为??1和??2不变,所以,通过B的热量就等于C向周围散发的热量,即B的导热速率等于C 的散热速率.因此,只要求出了C在温度??2时的散热速率,就求出了B的导热速率???. 因为P的上表面和B的下表面接触,所以C的散热面积只有下表面面积和侧面积之和,设为????,而实验中冷却曲线是C全部裸露于空气中测出来的,即在P的上下表面和侧面积都散热的情况下记录的.设其全部表面积为??全,根据散热速率与散热面积成正比的关系可得??? ?????? ???

稳态法测量材料的导热系数

稳态法测量材料的导热系数 2015-04-02 导热系数是表征材料导热能力大小的量。导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料的两侧温度相差1°C时,在单位时间内,通过1m2所传导的热量。 材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。由于导热性能有许多种测量方法,事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征,以及使用温度的大致范围,以选用正确的测量方法。本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义,热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。 稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后,通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。稳态法测导热系数的基本原理图及公式为: λ=Qd/A△T;单位:W/(m?K) 注意:稳态条件下;材料应为单一均质的干燥材料。 Q:热流稳定后,通过试样的热流量(w); d:试样厚度(m); A:试样面积(m); :温度差(℃)。

热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。将样品插入两个平板间,在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流,使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流,传感器在平板与样品之间和样品接触。热流法适用于低导热材料,测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试,在达到温度梯度稳定期后,测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。适合测试导热系数范围为0.001~50W/m?K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。 护热平板法 护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似,保护热板法的测量原理如下图所示。热源位于同一材料的两块样品中间。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。当试样上、下两面处于不同的稳定温度下,测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度,应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。 导热系数λ=Qd/A((t2-t1)+(t4-t3)) Q:热流稳定后,通过试样的热流量; d:试样厚度; A:试样面积; t2-t1/t4-t3:温度差。 该法误差较小且可用于测定低温导热系数材料(0.02-2.0W/m?K)如塑料、纤维、陶瓷基板、氧化铝瓷、空心玻璃、各种保温材料等匀质板状材料。试样应是均质的硬质材料,两表面应平整光滑且平行。在用该法对不良导体的导热系数测定时,不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。

稳态法测导热系数

五、数据处理 1、在内容三所测数据中,选取稳态温度附近10组数据,用逐差法计算散热盘C在稳态T2附近的冷却速率Vc。 根据选取稳态温度附近10组数据 由逐差法计算有Vc={(44.7-42.2)+(44.3-41.6)+(44.1-41.2)+(43.3-40.8)+(42.6-40.5)}/(5*2.5)=1.048℃/min=0.0175℃/s 2、计算出待测样品B的导热系数λ: λ={mch B(R c+2h c)/2πR b2 (T1-T2)(R c+h c)}*(△T/△t) B R c=(9.960+9.958+9.980+9.956+9.942)/(2*5)=4.9796cm=4.9796*10^-2m hc=(0.984+0.986+0.982+0.986+0.982)/5=0.984cm=9.84*10^-3m R b=(9.966+9.950+9.948+9.958+9.956)/(2*5)=4.9778cm=4.9778*10^-2m T1=53.1℃T2=42.3℃ △T/△t=Vc=0.0175℃/s λ={0.669*385*8.332*10^-3*(4.9796*10^-2+2*9.84*10^-3)/2*3.14*(4.9778*10^-2)2*(53.1-42.3) ( 4.9796*10^-2+9.84*10^-3)}*0.0175=0.261 W/m*K 3、求出环氧盘λ的不确定度,给出结果表达式。(只考虑冷却速率误差) 由于比较复杂,过程见实验报告纸。 可得结果为Uλ=0.036 W/m*K∴λ=0.261±0.036 W/m*K 4、分析误差原因。 测量盘的直径与厚度时由于是人为读数,有读数误差,再有环境误差,盘的质量可能由于多次实验有磨损存在误差等等。 5、所有测量数据都要列表。

各种材料的导热系数

220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆 最高额定温度 电缆导体长期允许最高工作温度为90℃,短时过负载最高工作温度为130℃,短路时(短路时间为5S)最高工作温度为250℃。 电缆使用特性: (1)电缆导体长期允许温度为90℃。 (2)短路时(最长持续时间不超过5秒),导体最高温度不超过250℃,电缆线路中间有接头时,锡焊接头不超过120℃,压接接头不超过150℃,电焊或气焊接头不超过250℃。 (3)电缆敷设时,在保证足够机械拉力的情况下不受落差限制,但不允许敷设于铁质管道中,也不允许沿电缆周围形成环状的铁质金具固定电缆。 (4)电缆敷设时,其温度应不低于零度,当电缆温度低于零度时应采用适当的方法将电缆加热至零度有以上。 高密度聚乙烯HD 980 密度0.50导热系数 热传导和热导率物体内部分子和原子微观运动所引起的热量传递过程称为热传导,又称导热。在单位时间内从tω1的高温壁面传递到tω2的低温壁面的热流量φ(W)的大小,和壁的面积F(m2)与两壁温差(tω1-tω2)(℃)成正比,与壁的厚度δ(m)成反比。此外,还与壁的材料性质等因素有关。因此由上面的比例关系, 导热量 = f(两壁温差) / 壁的厚度 * 导热系数 聚乙烯(PE)的导热系数 0.4 W / K-Meter PVC 0.231 ABS 0.245 PP 0.138 Cu 365

SUS 16 Steel 86 水的导热系数0.54 空气的导热系数 0.024 pvc的导热系数 0.14W/MK 殷钢 11 拌石水泥 1.5 海砂 20 0.03 对某一特定物质而言,只考虑热传递时,热量与温度之间存在一个线性关系,即 变化的内能(亦即传递的热量)=该物质的比热容*质量*该物质变化的温度 导热系数 指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内,通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米?度(W/m?K,此处为K可用℃代替)。导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小。材料的含水率、温度较低时,导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料,而把导热系数在0.05瓦/米?度以下的材料称为高效保温材料。 材料的厚度加大则材料的导热系数如何变化?

材料导热系数测试实验

材料导热系数测试实验内部编号:(YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128)

东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能,同一个物体不同区域如果温度不等,则他 们热运动的激烈程度不同,含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域, 在相互靠近或接触时,会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差 而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技 术领域中,材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下,1m 厚的材料,两侧表面的温差为 1K ,在1s 钟内,通过1m2面积传递的热量,单位为 W/(m ·K),也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声 子和光子,因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。

1)电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热,在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中,声子导热所占比例逐渐增大。 2)光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波,其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域,这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1)温度 金属以电子导热为主,电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡,从而形成对热量传输的阻力。 一般来说,纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低;而今导热系数一般随温度的升高而升高;玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2)原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的,导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。 3)成分和晶体结构 合金中加入杂质元素将提高热阻,使导热系数降低。杂志原子与基体金属的结构差异较大的元素,对基体导热系数的影响也较大。 4)压强,密度,气孔率等 压强,密度,气孔率等因素也会对材料的导热系数产生影响,影响材料导热系数的因素是复杂的。 4.导热系数的测试方法

稳态法测量不良导体的导热系数(讲义)

稳态法测量不良导体的热导率 热导率(又称导热系数)是反映材料热传导性能的重要物理量。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构.热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此,某种材料的热导率不仅与材料的物质种类密切相关,而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系.在科学实验和工程设计中,所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定. 【实验目的】 (1)掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的热导率; (2)掌握用作图的方法求冷却速率; (3)学习温度传感器的应用方法; 【实验仪器】 FD-TC-B型导热系数测定仪(如图1所示它由电加热器、铜加热盘C,橡皮样品圆盘B,铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成)、分度值0.02mm游标卡尺、量程3000g,分度值为0.1g电子天平、量程30cm,分度值为1mm钢板尺、秒表等. 图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图 【实验原理】 1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的热导率,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。

设稳态时,样品的上下平面温度分别为1T 、2T ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式: S h T T t Q B 21-=??λ (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h T T t Q πλ-=?? (2) 实验装置如图1所示,固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 可以 借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ,样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度1T 和2T 不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热量与散热盘P 向周围环境散出的热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2T 时的散热速率来求出样品的传热速率 t Q ??。 实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度1T 和2T 后,将样品B 抽去,让加热盘C 与散热盘P 接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的2T 值C 5后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度T 随时间t 的下降情况,用作图的方法求出散热盘在2T 时的冷却速率 2 T T t T =??,则散热盘P 在2T 时的散热速率为: 2 T T t T mc t Q =??=??散 (3) 其中m 为散热盘P 的质量,c 为其比热容。 在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正: ) 22() 2(2 2 2 P P P P P p T T h R R h R R t T m c t Q ππππ++??=??=散 稳态时样品B 的传热速率等于散热盘P 的散热速率,即:

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