不良导体导热系数的测定-讲义.pdf

不良导体导热系数的测定不良导体导热系数的测定热量的传递一般分为三种：热传导、热对流、以及热辐射。其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。不同物体的导热性能各不相同，导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物体称为不良热导体。定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，一般说来，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。导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。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。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。【预备问题】【预备问题】如何判断不良导体中的导热过程达到了稳定？不良导体样品盘的厚度对测量结果有影响吗？如果测量高低温热源温度所分别使用的温度计读数有偏差，将会产生什么样的影响？有什么办法消除或减小影响？【引言】【引言】1热传导定律当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。早在 1882 年著名物理学家傅立叶（Fourier）就提出了热传导的定律：若在垂直于热传播方向 x 上作一截面S，以Q 为（3.14.1）Qd S tdxx0式（3.14.1）中Q为传热速率，负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处，与温度梯度方向td表示处的温度梯度，那么在时间t 内通过截面积S 所传递的热量x0dxx0相反。比例系数称为导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦米-1开-1(Wm-1K-1)。2稳态法测传热速率测定样品导热系数的实验装置如图3.14.1 所示。图中待测样品（圆盘）半径 R1=60mm，厚度 h1=5mm，样品上表面与加热盘（位于上方的黄铜盘）的下表面接触，温度为1，加热盘由内部电热丝供热，热量由加热盘通过样品上表面传入样品，再从样品下表面与散热盘（位于样品下面的黄铜盘）的上表面相接，温度为 2，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。样品上下表面温度可以认为是均匀分布，在 h1不很大情况下可忽略样品侧面散热的影响，则式（3.14.1）改写为：12（3.14.2）QS th1式（3.14.2）中 S 为样品横截面积。加热盘温度1热流温度2样品盘散热盘图 3.14.1导热系数实验装置示意图当 1、2稳定时，传热也达到稳定，即通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同。Qq（3.14.3）t110t220式（3.14.3）中 10、20是传热稳定时的样品上下表面温度，Q是样品的传热速率，q是黄铜盘散热tt率。那么式（3.14.2）可表示为q1020S（3.14.4）t220h1q由（3.14.4）式可见，要想得到导热系数，关键是测出黄铜盘的散热率。为此，当测t220出稳态时样品上下表面的温度10和 20之后，拿走样品，让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触，加热下黄铜盘使温度上升到高于 20若干度后再拿去上黄铜盘，让下黄铜盘自然冷却，直接向周围散热。下黄铜盘在 2=20附近的冷却速率：t220黄铜盘的散热率与其冷却速率的关系为（3.14.5）q mc t220 t220式(3.14.5)中 m 是黄铜质量，c 是黄铜比热（c 3.77102J/kg k）。时，黄铜盘上表面t也暴露在外，实际是黄铜盘的上、下表面和侧面都在散热。由于物体冷却速率与它的表面积成正比关系，修正(3.14.5)式，可得R22 2R2h2q mct2R2 2Rht220220222在样品传热过程中，只考虑下黄铜盘的下表面和侧面散热。但在测冷却速率 m ct220R2 2h22R2 2h2（3.14.6）式（3.14.6）中 R2、h2分别为散热黄铜盘半径和厚度。将式（3.14.6）代入式（3.14.4）并整理得待测样品导热系数为：mct220 R2 2h22R2 2h2h1 10201 2R1（3.14.7）【仪器设备】本实验的仪器设备包括 THQDC-1 型导热系数测定仪，游标卡尺，天平，镊子等。THQDC-1 型导热系数测定仪（见图 3.14.2）由加热黄铜盘、散热黄铜盘、待测样品（见图3.14.3）、温度控制装置、温度测量装置、冷却装置、计时器、漏电断路器组成。其中最关键的部分是温度控制装置，称为 PID 智能温度调节器，下面主要介绍这一部分仪器的使用说明。图 3.14.2.THQDC-1 型导热系数测定仪面板俯视图。（一）PID智能温度调节器面板说明如图 3.14.4 所示。图 3.14.3.加热黄铜盘（上）、待测样品（中）、散热黄铜盘（下）的侧视图。图 3.14.4PID 智能温度调节器面板说明（二）显示状态如图 3.14.5 所示。仪表上电后，将进入显示状态，此时仪表上显示窗口显示测量值（），下显示窗口显示给定值（）。按键可切换到显示状态，此时下显示窗口显示输出值。状态、同为仪表的基本状态，在基本状态下，窗口能用交替显示的字符来表示某些状态，如输入的测量信号超出量程（因传感器规格设置错误、输入断线或短路均可能引起）时，则闪动显示“oral”。此时仪表将自动停止控制，并将输出固定在参数oPL 定义的值上。OUT 输出指示灯：输出指示在线性电流输出时通过亮/暗变化反映输出电流的大小。（三）基本使用操作（1）显示切换：按键可以切换不同的显示状态、。（2）修改数据：仪表下显示窗口显示的数值除自动输出值不可直接修改外，其余数据均可图 3.14.5显示状态通过键来修改下显示窗口显示的数值。例如：需要设定给定值时，可将仪表切换到显示状态，即可通过按、或键来修改下显示窗口显示的数值。AI 仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。按键减小数据，按键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。按键并保持不放，可以快速的增加减小数值，并且速度会随右移加快（3 级速度）。而按键则可直接移动修改数据的位置（光标），操作快捷。（3）手动/自动切换：在显示状态下，按键 A/M（即键），可以使仪表在自动及手动两种状键或键可增加及减少手态下进行无扰动切换。在显示状态且仪表处于手动状态下，直接按以防止误入手动状态。（4）设置参数：在基本状态（显示状态或下按（显示状态）。在参数设置状态下按、键并保持约 2 秒钟，即进入参数设置状态键，仪表将依次显示各参数，例如控制方式 Ctrl、速率参数键并保持不放，可返回显示上一参数。如果没有按动输出值。通过对 run 参数设置（详见后文），也可使仪表不允许由面板按键操作来切换至手动状态，P、输入规格Sn、小数点位置Dip、输出方式oP1、输出下限oPL、输出上限oPH、运行状态run 等。用等键可修改参数值，按键操作，约 30 秒钟后会自动退出设置参数状态。但是注意：以上参数事先已设好，不应随意改变，否则会影响实验的正常进行。但是注意：以上参数事先已设好，不应随意改变，否则会影响实验的正常进行。（四）手动自整定由于自整定执行时采用位式调节，其输出将定位在由参数 oPL 及 oPH 定义的位置。如果环境温度不稳定，在P、I、D 参数设置很恰当的情况下控温效果不好，可以采用手动自整定模式。当被控温度响应快速时，手动自整定方式能获得更准确的控稳效果。实验时可在显示状态手动状态下根据温度变化设定输出值，控制温度在设定值范围内。【实验程序实验程序】1用游标卡尺测量待测样品盘的半径R1和厚度 h1，散热黄铜盘的半径 R2和厚度 h2。参考值为R1R260mm=0.06m，h15mm=0.005m，h212mm0.012m。2用天平测量散热黄铜盘的质量m。3安装实验装置。注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。按图 3.14.1 所示将散热黄铜盘小心安装在测定仪固定支架上，将测温孔朝向正面。然后将待测样品盘、加热黄铜盘依次放在上面，将加热电源插孔朝向反面，且三盘上下对齐，此时不要安装加热盘提手。最后将加热盘 Pt100 和散热盘 Pt100 分别插入加热黄铜盘和散热黄铜盘测温孔，注意 Pt100 金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测温精度。将加热电源线通过加热电源插孔与加热黄铜盘连接好，然后将加热电源线与面板上插座连接好，注意此连接过程顺序不能颠倒。4加热盘温度控制参数设置。注意加热盘温度设定值不得高于110。实验时可测定待测样品在60110温度范围内的导热系数。将“电源总开关”置于“ON”，接通测定仪电源，PID 智能温度调节器上电，将加热盘加热盘温度设定在 60110温度范围内某一温度值，测定的即为待测样品在该温度下的导热系数。本实验要求测定本实验要求测定 6060和和 8080下样品的导热系数下样品的导热系数。具体操作详见 PID 智能温度调节器使用说明书。5加热盘加热及温度测控。将“加热开关”置于“开”，“风扇开关”置于“关”，此时“加热指示”灯亮。在整个加热及温度控制过程中加热指示灯亮度会随着加热快慢而变化。注意实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。当加热盘温度控制在设定温度1范围内时，若加热盘温度 1和散热盘温度 2在 10min 后仍保持稳定，可认为传热达到稳定。记录此时加热盘温度10和散热盘温度 20。6测定散热盘散热率。安装加热盘提手，将加热盘小心提起，用镊子将待测样品移去，然后将加热盘直接放在散热盘上，取下加热盘提手，给散热盘加热，使散热盘温度高于2010左右，将“加热开关”置于“关”，安装加热盘提手，小心移去加热盘，使散热盘在空气中自然冷却。冷却过程中每隔30s 读一次散热盘温度 2，一直读到低于 2010左右。将实验所得数据记录在表3.14.1 中。表 3.14.1散热盘散热率实验数据t（s）2（）03060901205105405706007改变加热盘温度设定值，重复实验步骤 5、6，测定样品在不同温度下导热系数。为节约实验时间，设定加热盘温度时应从低温到高温设定。8改变待测样品，重复以上实验步骤，测定不同样品的导热系数。9实验完毕，将“风扇开关”置于“开”，“加热开关”置于“关”，此时风扇开启，“风冷指示”灯亮，使散热盘加速冷却，直到散热盘温度降至室温，将“风扇开关”置于“关”。10整理实验仪器。注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。将加热电源线与面板上插座分开，然后将加热电源线与加热黄铜盘分开，注意此分开过程顺序不能颠倒。取下加热盘 Pt100 和散热盘 Pt100 并放回。整理待测样品盘、加热黄铜盘和散热黄铜盘。【数据和结果分析】【数据和结果分析】1根据表 3.14.1 所记录实验数据，选择20附近 10 组数据，用逐差法处理实验数据，计算散热盘冷却速率t220，进而利用（3.14.7）式计算待测样品导热系数。2计算不确定度，并给出完整的结果表述。【拓展问题】【拓展问题】1测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度20附近选值？2样品的导热系数大小与温度有什么关系？3样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？【注意事项】【注意事项】1加热盘温度设定值不得高于110，实验时应随时观察加热盘温度变化。2实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，以防烫伤。3PID 智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验时可以修改加热盘温度设定值SV，修改其它参数时应谨慎，否则影响控温效果。4实验过程中 Pt100 金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测温精度。5实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。6测定仪面板上有 0220V 加热电源，连接和分开加热电源线时均应先关闭电源总开关，以防触电。一、课堂评分1、是否按照本实验讲义认真预习；2、课堂上是否遵守纪律和安全规则；3、是否能独立自主完成实验，按规程操作；4、是否正确地记录实验数据;5、离开实验室前是否整理好了仪器。二、实验报告评分1、是否按时交上完整的实验报告；2、预习报告部分是否完整、整洁；3、数据整理和处理是否规范、完整、条理清晰；4、结果表达形式是否正确，结果分析是否务实、认真。