導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)

1、導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定由于溫度不均勻，熱量會(huì)從溫度高的地方向溫度低的地方轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象 叫做熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是由物質(zhì)內(nèi)部分子，原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而 產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的機(jī)理非常復(fù)雜，對(duì)流體特別是氣體而言，由于溫 度是氣體平均動(dòng)能的量度，高溫區(qū)分子運(yùn)動(dòng)速度比低溫區(qū)分子要快， 分子連續(xù)無 規(guī)則運(yùn)動(dòng)，通過互相碰撞交換能量和動(dòng)量， 熱量就由高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移， 簡(jiǎn)而 言之，氣體的熱傳導(dǎo)是由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起的； 液體熱傳導(dǎo)的機(jī)理與氣 體類似，但是液體分子間距要小得多，分子力場(chǎng)對(duì)分子碰撞過程中能量交換影響 很大；而固體是通過晶格振動(dòng)和自由電子遷移傳導(dǎo)熱量，自由電子傳遞的能量比品格振動(dòng)傳

2、遞的能量大得多。金屬固體的導(dǎo)熱主要通過自由電子的遷移傳遞熱 量；對(duì)于非金屬固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是通過相鄰分子在碰撞時(shí)傳遞振動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的。 熱傳導(dǎo)是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個(gè)研究領(lǐng)域的課題。導(dǎo)熱系數(shù)（又稱導(dǎo)熱率）是反映材料熱性能的重要物理量，導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo) 熱性能好的材料稱為良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料稱為不良導(dǎo)體。 一 般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大， 固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大， 氣體 的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì) 含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中， 所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方

3、法精確測(cè)定。測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法一股分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源對(duì)樣品加熱，樣品內(nèi)部的 溫差使熱量從高溫向低溫處傳導(dǎo)，樣品內(nèi)部各點(diǎn)的溫度將隨加熱快慢和傳熱快慢 的影響而變動(dòng)；當(dāng)適當(dāng)控制實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)使加熱和傳熱的過程達(dá)到平衡狀 態(tài)，則待測(cè)樣品內(nèi)部可能形成穩(wěn)定的溫度分布， 根據(jù)這一溫度分布就可以計(jì)算出 導(dǎo)熱系數(shù)。而在動(dòng)態(tài)法中，最終在樣品內(nèi)部所形成的溫度分布是隨時(shí)間變化的， 如呈周期性的變化，變化的周期和幅度亦受實(shí)驗(yàn)條件和加熱快慢的影響， 與導(dǎo)熱 系數(shù)的大小有關(guān)。不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的原理和方法;2、掌握熱電偶測(cè)溫原理及導(dǎo)熱系

4、數(shù)測(cè)定儀的使用方法;3、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測(cè)量的方法；4、學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率。、實(shí)驗(yàn)儀器YBF 3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，冰點(diǎn)補(bǔ)償裝置，杜瓦瓶，測(cè)試樣品（硬鋁、硅 橡膠、膠木板、空氣等）、游標(biāo)卡尺等。儀器介紹：1. YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀儀器的面板圖:上面板圖卜面板圖三、實(shí)驗(yàn)原理早在1882年，法國(guó)科學(xué)家丁 傅里葉就提出了熱傳導(dǎo)定律，目前各種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)上。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軸上任一位置Zo處取一個(gè)垂直截面積ds,以dT表示在z處的溫度梯度，以dQ表示該處的傳熱速dzdt率（單位時(shí)間內(nèi)通過截面積ds的熱量），那么

5、熱傳導(dǎo)定律可表示成：(1)dTdQ 7一()z0ds dt dz式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反），比例數(shù)人即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在溫度梯度為 一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過截面單位面積的熱量。利用（1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題：一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫 度梯度好并確定其數(shù)值；另一個(gè)是如何測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速 dz率 dt1、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，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體 銅板之間，如圖1,使兩塊銅板分別保持在恒定溫度 和 T2,就可能在垂

6、直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小于樣品直徑（h<<D）,由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可 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)，即只在此方向上 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 度梯度立 。當(dāng)然這需要銅板與樣品表面緊密接 h觸無縫隙，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。

7、2、關(guān)于傳熱速率dQdt單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面積的熱量 dQ是一個(gè)無法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法dt將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較容易測(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、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到 個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，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,我們知道，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）更有關(guān)，其表達(dá)式為dtdQd

8、t丁2dT =-mc dt(2)圖2散熱盤的冷卻曲線圖式中的m為銅板的質(zhì)量，C為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。由于質(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。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)下銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn) 態(tài)溫度T2 （大約高出10c左右）,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Tt曲線（見圖2）,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是銅板全部表面暴露于空氣中的

9、冷卻速率， dt其散熱面積為2 7tlp2+2 Ttiphp （其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而， 設(shè)樣品截面半徑為R,在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為 冗鏟）是被 樣品全部（R=Rp）或部分（R<Rp）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：若R = Rp，則dQdT=mc dtdt無 RP +2nRDhD p p22 RP 2 :RDhD p p(3)系數(shù):R<Rp ,則22dQ dT 2二Rp tiR 2二Rphp=m c2出出2 二 RP 2 二 Rphpp p(3)式或(3')式代入熱傳導(dǎo)定律

10、表達(dá)式，考慮到 ds=TtI2,可以得到導(dǎo)熱h dT(4)222Rp -R 2Rphp 1h dT22Rp2Rphp_2RTi - T2dtT 2(4)2hp Rp 1= - rmc2 2t t2hp 2Rp 二R2 Ti -T2 dt = pp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為銅的比 熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量。3、用溫差電偶將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量本實(shí)驗(yàn)選用銅一康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差為100c時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約為 4.0mVo由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為 0C,當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)& (mV)

11、與待測(cè)溫度T (C)的比值是一個(gè)常數(shù)。因此，在用(4)或(4')式計(jì)算時(shí)，也可以直接用電動(dòng)勢(shì) e代表溫度To四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、手動(dòng)測(cè)量(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品、下銅盤的幾何尺寸，多次測(cè)量取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/ (K kg);(2)儀器的連接熱電偶i上銅板下銅板熱電偶ii導(dǎo)熱系數(shù)冰點(diǎn)補(bǔ)償ybf-3廠O信號(hào)輸入o-。ofldlooft鼻L *.SHZDH杭州大華 儀器制造有限公司圖3連線圖（ 3）設(shè)定加熱溫度： .按一下溫控器面板上設(shè)定鍵（S）,此時(shí)設(shè)定值（SV）顯示屏一位數(shù)碼 管開始閃爍。 . 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵（ S） 左右移動(dòng) 到所需 設(shè)定的位置

12、，然后通泌口數(shù)鍵（）、減數(shù)鍵（）來設(shè)定好所需的加熱溫度。 .設(shè)定好加熱溫度后，等待 8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。（ 4）先放置好待測(cè)樣品及下銅盤（散熱盤），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、下銅盤接觸良好。安置圓筒、圓盤時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶在同一側(cè)。熱電偶插入銅盤上的小孔時(shí)，要抹些硅脂，并插到洞孔底部， 使熱電偶測(cè)溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在杜瓦瓶中的冰水混合物中。手動(dòng)控溫測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，控制方式開關(guān)打到“手動(dòng)”。將手動(dòng)選擇開關(guān)打到“高”檔，根據(jù)目標(biāo)溫度的高低，加熱一定時(shí)間后再打至“低”檔。根據(jù)溫度的變化情況要手動(dòng)去控制“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔 5 分鐘

13、讀一下溫度示值（具體時(shí)間因被測(cè)物和溫度而異），如在一段時(shí)間內(nèi)樣品上、下表面溫度Ti、T2示值都不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。自動(dòng) PID 控溫測(cè)量時(shí)，控制方式開關(guān)打到“自動(dòng)”，手動(dòng)選擇開關(guān)打到中間一檔， PID 控溫表將會(huì)使發(fā)熱盤的溫度自動(dòng)達(dá)到設(shè)定值。每隔 5 分鐘讀一下溫度示值，如在一段時(shí)間內(nèi)樣品上、下表面溫度T1、 T2 示值都不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（5）記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)Ti、T2值后，移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅盤加熱，當(dāng)下銅盤溫 度比T2 （對(duì)金屬樣品應(yīng)為T3）高出10c左右時(shí)，移去圓筒，讓下銅盤所有表面 均暴露于空氣中，使下銅盤自然冷卻，每隔30 秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直到溫度下

14、降到T2 （或T3）以下一定值。作銅盤的Tt冷卻速率曲線，選 取鄰近T2 （或T3）的測(cè)量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。（6）根據(jù)（4）或（4）式計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù) 為（ 7）本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差100時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約4.0mV,故應(yīng)配用量程020mV,并能讀到0.01mV的數(shù)字電壓表（數(shù)字電壓表前端采用自穩(wěn)零放大器，故無須調(diào)零）。由于熱電偶冷端溫度為0，對(duì)一定材 料的熱電偶而言，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)（mV）與待測(cè)溫度（0C） 的比值是一個(gè)常數(shù)。由此，在用（4）或（4）計(jì)算時(shí)，可以直接以電動(dòng)勢(shì)值代表 溫度值。五、注意事項(xiàng)1、使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈，樣品兩端面擦

15、凈，可涂上少量 硅油，以保證接觸良好。2、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量時(shí)，要使溫度穩(wěn)定約要 40分鐘左右。手動(dòng)測(cè)量時(shí)，為縮短時(shí) 問，可先將熱板電源電壓打在高檔，一定時(shí)間后，毫伏表讀數(shù)接近目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng) 的熱電偶讀數(shù)，即可將開關(guān)撥至低檔，通過調(diào)節(jié)手動(dòng)開關(guān)的高檔、低檔及斷電檔， 使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在 W.03mV范圍內(nèi)。同時(shí)每隔30秒記下上、下 圓盤A和P對(duì)應(yīng)的毫伏讀數(shù)，待下圓盤的毫伏讀數(shù)在 3分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時(shí)的 Vti和VT2值。3、實(shí)驗(yàn)過程中，若移開加熱盤，應(yīng)先關(guān)閉電源，移開熱圓筒時(shí)，手應(yīng)拿住 固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以免燙傷手。4、不要使樣品兩端劃傷，以免影響實(shí)驗(yàn)的精度。5、數(shù)字電壓表出現(xiàn)不穩(wěn)定或加熱時(shí)數(shù)值不變化，應(yīng)先檢查熱電偶及各個(gè)環(huán) 節(jié)的接觸是否良好。六、數(shù)據(jù)記錄及處理表1測(cè)試次序測(cè)試項(xiàng)目12345平均值試樣盤B