实验固体热导率的测量825.pdf

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1、 实验固体热导率的测量 实验十三 固体热导率的测量 【实验目的】1(用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较;(初步学习用热电偶进行温度测量。2【实验原理】测量热导率的方法比较多，可以归并为两类基本方法:一类是稳态法;另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量;而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。根据傅立叶导热方程式，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 T 和 1T(设 T,T)的平行平面，若平面面积均为 S，则在 t 时间内通过面积

2、 S 的热量 Q 满足下述表达 21 2 ,QTT,12 式:(13-1),S,th 式中即为该物质的热导率，也称导热系数。由此可知，热导率是一个表示物质热传导性能的物理量，其,数值等于两相距单位长度的平行平面上、当温度相差一个单位时、在单位时间内垂直通过单位面积所流过的热量，其单位为 W/mK。材料的结构变化与杂质多寡对热导率都有明显的影响;同时，热导率一般随温度而变化，所以，实验时对材料成份、温度等都要一并记录。我们这里使用的 TC-3 型热导率测定仪，就是采用稳态法测量不良导体、金属、空气等多种材料热导率的一体化实验仪器，由五大部分组成(具体结构如图13-1 所示):(1)加热源:电热管

3、加热铜板;(2)测试样品支架:支架、样品板，散热铜板、风扇;(3)测温部分:热电偶，数字式毫伏表，杜瓦瓶;(4)数字计时装置:计时范围 166 分钟，分辨率 0.1 秒;(5)PID 自动温度控制装置:控制精度，分辨率。,:1C0.1:C 在支架上先放上圆铜盘 B，在 B 的上面放上待测样品 C(圆盘形的不良导体)，再把带发热器的圆铜盘 A 放在 C 上。发热器通电后，热量从 A 盘传到 C 盘，再传到B 盘，由于 A、B 盘都是良导体，其温度即可以代表 C 盘上、下表面的温度 T 和 T，T、T 分别由插入 A、B 盘边缘小孔的热电偶 I 来测量，热 1212 电偶的冷端则浸在杜瓦瓶 G 中

4、的冰水混合物中，通过传感器切换开关 K 切换A、B 盘中的热电偶 I、IIIII,Q 与数字电压表 F 的连接回路。由式(13-1)可以知道，单位时间内通过待测样品 C 任一圆截面的热流量,t TT,Q212 为(13-2),RC,thC 式中 R 为样品的半径，h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，T 和 T 的值不变，于是通过样品盘 cc12(C 上表面的热流量与由散热铜盘 B 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘 B 在稳定温度 T 时的 2(,Q 散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的 T、T 后，即可将 C 盘移去，而使盘 A 的底面 12(,t 与铜盘 B 直接接触

5、。当盘 B 的温度上升到高于稳定时的值 T 若干摄氏度或(0.2mV)后，再将圆盘 A 移 2,T 开，让铜盘 B 自然冷却。观察其温度 T 随时间 t 变化情况，然后由此求出铜盘 B 在 T 的冷却速率，22 T,T2,t,Q,T 而,mcBT,T2,t,t 1 (m 为紫铜盘 B 的质量，c 为铜材的比热容)，就是紫铜盘 B 在温度为 T 时的散热速率。但要注意:这样 B2 ,T2 求出的是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为(其中 2,R，2,RhT,TBBB2,t R 与 h 分别为紫铜盘 B 的半径与厚度)。然而，在观察测试样品 C 的稳态传热时，B 盘的上表面(面

6、积为 BB2,R)是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘 B 散热速率的表达 B 式应作如下修正:2R，2Rh,Q,T，BBB(13-3),mc，BTT,22,t,t，2R，2RhBBB 将式(13-3)代入式(13-2)，得 Rh，2，h,TBBC(13-4),，mc,BTT22,，,tRhTTR22,，12BBC【实验仪器】TC-3 型热导率测定仪，橡胶样品,TW-1 型物理天平，游标卡尺,冰水，硅油。使用注意:(1)使用前将加热铜板 A 与散热铜板 B 擦干净，样品两端面擦干净后，可涂上少量硅油，以保证接 触良好。(2)实验过程中，如需触及电热板，应先关闭

7、电源，以免烫伤。(3)实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验的正确性。【实验内容】在测量热导率前应先接通电源，加热器开关 K 打到高热(?)档，并对散热盘 B和待测样品盘 C 的 A 直径、厚度进行测量。1、用游标卡尺测量待测样品盘 C 直径和厚度，各测 1 次。2、用游标卡尺测量散热盘 B 的直径和厚度，各测 1 次，计算 B 盘的质量，也可直接用天平称出 B 盘 的质量。一、不良导体热导率的测量 1(把橡胶盘 C 放入加热盘 A 和散热盘 B 之间，用三个螺旋头 E 夹紧(拧去固定轴 H 不用)。2(在杜瓦瓶 G 中放入冰水混合物，将两热电偶 I 的冷端(

8、两条黑线)插入杜瓦瓶中，热电偶的热端(两条红线)分别插入加热盘 A 和散热盘 B 侧面的小孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座I 和 I 上，如图 13-2 所示。III 注意:(1)园筒发热体盘 A 侧面和散热盘 B 的侧面，都有供安插热电偶 I 的小孔，安放发热盘 A 时此两小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，要抹上一些硅油，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。2 (2)本实验选用铜-康铜热电偶，温差 100K 时，温差电动势约 4.2mV。3(测量稳态时温度 T 和 T 的数值。接通

9、电源，打开电扇开关 K(使散热盘有效、稳定地散热)，将 12B“温度控制 PID”仪表上设置加温的上限温度()，加热器开关 K 打到高热(?)档，当传感器 I100:CAI 的温度 T 约为 4mV 左右时，再将加热开关 K 置于“?”或“?”档，降低加热电压。使加热盘 A 和散 1A 热盘 B 逐步达到稳定的温度分布(约需 40 分钟时间)。当达到稳态时，每隔 3分钟记录 V 和 V 的值。T1T2 注意:当达到稳态时，V 和 V 的数值在 10 分钟内的变化小于 0.03 毫伏，或 V 的数值在 10 分钟内 T1T2T2 不变即可认为已达到稳定状态，约需 40 分钟时间。说明:对一般热电

10、偶来说，温度变化范围不太大时，其温差电动势 mV 值与待测温度值的比是一个常数，因此，在用公式(13-4)计算热导率时，可以直接用温差电动势值取代温度值。(,T4(测量散热盘 B 在温度稳态值 T 附近的散热速率。移开圆盘 A，取下橡胶盘C，并使圆盘 2T,T2,t A 的底面与铜盘 B 直接接触，当盘 B 的温度上升到高于稳定态的值 T 若干度(0.2mV 左右)后，关掉加 2 热器开关 K(电扇仍处于工作状态)，将 A 盘移开(注意:此时橡胶盘 C 不再放上)，让铜盘 B 自然冷却，A 记录 T 共约 6,8 次，每隔 30 秒一次(注意:记录的数据必须保证温度稳态值 T在其测量范围以内)

11、。22 5(关掉电扇开关 K 和电源开关 K。BF 二、金属热导率的测量(选做)1、将圆柱体金属铝棒(厂家提供)置于发热圆盘与散热圆盘之间。2、在杜瓦瓶 G 中放入冰水混合物，将两热电偶 I 的冷端(两条黑线)插入杜瓦瓶中，热电偶的热端(两条红线)分别插入分别插入金属圆柱体上的上下两孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座I 和 I 上。III 3、当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，T、T 值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘 12 B 的温度为 T 值。因此测量 B 盘的冷却速度为:2,Q TT,2,t 由此得到热导率为 2,RC22Rh，,BB,Rh1,TB,C

12、,mcB222,，,tRhTTR,，BBC12,T4、测量散热盘 B 在温度稳态值 T 附近的散热速率。移开圆盘 A，取下金属圆柱体 C，并使 2T,T2,t 圆盘 A 的底面与铜盘 B 直接接触，当盘 B 的温度上升到高于金属圆柱体上的下表面的稳定态值 T 若干度 2(0.2mV 左右)后，关掉加热器开关 K(电扇仍处于工作状态)，将 A 盘移开(注意:此时金属圆柱体 CA 不再放上)，让铜盘 B 自然冷却，记录 T 共约 6,8 次，每隔 30 秒一次(注意:记录的数据必须保证温度 2 稳态值 T 在其测量范围以内)。2 三、空气热导率的测量(选做)当测量空气的热导率时，通过调节三个螺旋头

13、，使发热圆盘与散热圆盘的距离为 h，并用塞尺进行测量(即塞尺的厚度)，此距离即为待测空气层的厚度。注意:由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。【数据处理】1(基本数据 铜的比热容 c=385.06J/(Kg?K)室温 t=?,(1)散热盘 B 直径 2R=?mm，半径 R=?mm，BB 厚度 h=?mm，质量 m=?g B B(2)橡胶盘 C 直径 2R=?mm，半径 R=?mm，CC 厚度 h=?mm C 3 2(实验数据 (1)稳态时 T、T 的数据(每隔 3 分钟记录)12 i 1 2 3 45 平均 T(mV)1 T(mV)2(2)散热速率 ,T(mV/s)t(s)0 3060 90

14、120 150 180 T,T2,t T(mV)2 3(根据实验结果，计算出不良导热体的热导率。硅橡胶的热导率由于材料的特性不同，范围为,0.072W/(m?K)0.165W/(m?K)，本实验给出的硅橡胶热导率在 285K(12?)左右时为=0.165W/0(m?K)，铝合金热导率的理论参考值为 130150 W/(m?K)求出百分差。附录 铜康铜热电偶分度表 热电势(mV)温度 (?)0 12 34 5 6 7 89 0 0.000 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195.0.234 0.273 0.3120.351 100.391 0.4300.470 0.510 0

15、.549 0.589 0.629 0.669 0.709 0.749 200.789 0.830 0.870 0.9110.951 0.992 1.032 1.0731.1141.155 30 1.196 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 40 1.611 1.6531.695 1.738 1.780 1.882 1.865 1.907 1.950 1.992 50 2.0352.078 2.121 2.164 2.207 2.2502.294 2.337 2.3802.424 60 2.467 2.511 2.555

16、2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 70 2.908 2.9532.997 3.042 3.087 30131 3.176 3.221 3.2662.312 80 3.3573.402 3.447 3.493 3.538 3.5843.630 3.676 3.721 3.767 903.813 3.8593.9063.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231 100 4.277 4.3244.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701 110 4.749 4.796 4.844 4.8914.939 4.987 5.035 5.083 5.131 5.179 【思考题】1)散热盘下方的轴流式风机起什么作用,若它不工作时实验能否进行,(2)本实验对环境条件有些什么要求,室温对实验结果有没有影响,(3)试定量估计用温差电动势代替温度所带来的误差。(4)分析本实验的主要误差。4 5