熱導(dǎo)系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)器材：1. 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)1臺(tái)。2. 電源線1根。3. 專用測(cè)量熱電偶2根。4. 保溫杯1只。5. 測(cè)試樣品。6. 使用說(shuō)明書，產(chǎn)品合格證。實(shí)驗(yàn)原理：為了測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，首先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手、熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一為止Z0處到一個(gè)垂直截面積ds以dT/dz表示在Z處的溫度梯度，以dQ/dt表示在該處的傳熱速度，那么傳熱定律可表示為：dQ=- (dT/dz)Z0*dS*dt式中的符號(hào)表示熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)。比例系數(shù) 即為一個(gè)單位的情況下，單位內(nèi)垂直通過(guò)單位面積截面的熱量。利用該式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系

2、數(shù) ，需解決的關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度dT/dz并確定其數(shù)值；另一個(gè)測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率dQ/dt。1.關(guān)于溫度梯度dT/dz為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布?？梢园褬悠芳庸こ善桨鍫?，并把夾在兩塊良導(dǎo)體銅板之間使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h<<D。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散區(qū)的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即住在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一

3、平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度（T1-T2）/h，當(dāng)然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸，無(wú)縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。2.關(guān)于傳熱速率dQ/dt單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一截面積的熱量dQ/dt是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)量的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較為容易測(cè)量的量，為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過(guò)樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率和散熱速率相等時(shí)，系

4、統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與冷卻速率有關(guān)，其表達(dá)式為：dQ/dt|T2=-mc*dT/dt|T2式中的m為銅板的質(zhì)量，c為銅板的比熱容，符號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測(cè)量，c 為常量，這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率的測(cè)量。測(cè)量銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)下金屬銅板加熱，使其的溫度高于溫度T2，

5、再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測(cè)出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T-t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。應(yīng)該注意的是，這樣得出的dT/dt是在銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2Rp2+2Rphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為RP2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為dQ/dt=-mc*dt/dt*(Rp2+2Rphp)/(2Rp2+2Rphp)根據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。將上式代入熱傳導(dǎo)

6、定律表達(dá)式，并考慮到ds=R2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)： =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、C為銅板的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。上式中的各項(xiàng)均為常量或者直接易測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟：1. 用自定量具測(cè)量樣品、下銅板幾個(gè)尺寸和質(zhì)量等必要參數(shù)，多次測(cè)量，取平均值。其中下銅板比熱容C=0.385KJ/(K.KG).2. 放置好等測(cè)樣品及下銅板，調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上下銅板接觸良好，安置圓筒、圓盤時(shí)，須使放置熱電偶的圓孔與杜瓦瓶同一側(cè)。熱電偶插

7、入銅板上的小孔時(shí)，要抹上硅脂，并插到銅孔底部，使熱電偶測(cè)溫度端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。3. 合上“加熱開(kāi)關(guān)”，參照智能溫度控制器使用說(shuō)明書上設(shè)定好銅板的溫度，并對(duì)其加熱。4. 上銅板加熱到設(shè)定溫度時(shí)，同時(shí)通過(guò)熱電偶選通開(kāi)關(guān)，將信號(hào)選通開(kāi)關(guān)打在(I)上測(cè)量上銅板的溫度。當(dāng)其保持不變時(shí)，記錄下此時(shí)上銅板溫度T1，在不斷的給上銅板加熱時(shí)，熱量通過(guò)樣品不斷傳送給下銅板，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，當(dāng)下銅板的溫度保持不變后，將信號(hào)選通開(kāi)關(guān)打在(II)上，測(cè)量下銅板的溫度，記錄下此時(shí)下銅板溫度T2。此時(shí)認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)（大約在兩分鐘內(nèi)銅板的溫度保持不變）。5. 移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅板加熱，當(dāng)下銅

8、板的溫度比T2高出10左右時(shí)，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數(shù)據(jù)，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率）。6. 根據(jù)(S1-4)計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。7. 設(shè)置不同的上銅板加熱溫度，在設(shè)定加熱溫度時(shí)，須高出室溫30，設(shè)定不同的加熱溫度，測(cè)量出不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時(shí)每隔30s記下樣品上下圓盤A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時(shí)T1，T2的值。2. 測(cè)金屬的導(dǎo)

9、熱系數(shù)時(shí)，T1，T2值為穩(wěn)態(tài)時(shí)，金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤P的溫度為T3，因此測(cè)量P盤的冷卻速率應(yīng)為：測(cè)T3時(shí)，要在T1，T2達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，將上面測(cè)T1和T2的熱電偶移下來(lái)進(jìn)行測(cè)量。3. 圓筒發(fā)熱體盤側(cè)面和散熱盤P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，安放發(fā)熱盤時(shí)此二小孔都應(yīng)與杜瓦斯瓶在同一側(cè)，以免線路錯(cuò)亂，熱電偶插入小孔時(shí)，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端浸入冰水混合物中。4. 移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅板加熱，當(dāng)下銅板的溫度比T3高出10左右時(shí)，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數(shù)據(jù)，直至溫度下降到T2以下一定值

10、。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率）。儀器維護(hù)與保養(yǎng)：1. 使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦干凈，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。2. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如若移動(dòng)電熱板，應(yīng)先關(guān)閉電源。移開(kāi)熱圓筒時(shí)，手應(yīng)拿住固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以免燙傷手。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)先切斷電源，并保管好測(cè)量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實(shí)驗(yàn)的精確度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)先查熱電偶及各個(gè)環(huán)節(jié)的接觸是否良好。4. 儀器在搬運(yùn)及放置時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)烈的震動(dòng)和受到撞擊。5. 儀器長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，請(qǐng)?zhí)咨纤芰洗?，防止潮濕空氣長(zhǎng)期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度不應(yīng)少于80%。6. 儀器使用時(shí)，應(yīng)

11、避免周圍有強(qiáng)烈磁場(chǎng)源的地方。7. 長(zhǎng)期放置不用后再次使用時(shí)，請(qǐng)先加電預(yù)熱30min后使用。數(shù)據(jù)處理1、對(duì)橡膠盤導(dǎo)熱率的測(cè)量R64.95mmh9.80mmRp64.80mmhp8.44mmm818g實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)90攝氏度T1T2攝氏度92.273.882.480.979.678.376.975.774.473.372此時(shí)dT/dt|T=T2為0.043K/s。通過(guò) =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.303W/(m*K)。85攝氏度T1T2攝氏度87.8677674.973.672.571.370.269.

12、168.167此時(shí)dT/dt|T=T2為0.0376K/s。通過(guò) =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.235W/(m*K)。80攝氏度T1T2攝氏度82.464.174.273.171.970.769.568.467.366.365.364.3此時(shí)dT/dt|T=T2為0.037K/s。通過(guò) =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.264W/(m*K)。得橡膠盤的平均導(dǎo)熱率=（0.303+0.235+0.264）/3=0.267 W/(m*K)2、對(duì)鋁芯導(dǎo)熱率的測(cè)量h76.85mmR20.05mm實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)90攝氏度T1T2T3攝氏度83.778.271.