導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗

1、導(dǎo)熱系數(shù)的測定由于溫度不均勻，熱量會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動而 產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的機理非常復(fù)雜，對流體特別是氣體而言，由于溫 度是氣體平均動能的量度，高溫區(qū)分子運動速度比低溫區(qū)分子要快， 分子連續(xù)無 規(guī)則運動，通過互相碰撞交換能量和動量， 熱量就由高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移， 簡而 言之，氣體的熱傳導(dǎo)是由于分子不規(guī)則的熱運動引起的； 液體熱傳導(dǎo)的機理與氣 體類似，但是液體分子間距要小得多，分子力場對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傳遞振動能實現(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。因為材料的導(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)變化都會明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實驗和工程設(shè)計中， 所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實驗的方

3、法精確測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的實驗方法一股分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源對樣品加熱，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)部各點的溫度將隨加熱快慢和傳熱快慢 的影響而變動；當(dāng)適當(dāng)控制實驗條件和實驗參數(shù)使加熱和傳熱的過程達(dá)到平衡狀 態(tài)，則待測樣品內(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算出 導(dǎo)熱系數(shù)。而在動態(tài)法中，最終在樣品內(nèi)部所形成的溫度分布是隨時間變化的， 如呈周期性的變化，變化的周期和幅度亦受實驗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)的測定、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的原理和方法;2、掌握熱電偶測溫原理及導(dǎo)熱系

4、數(shù)測定儀的使用方法;3、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測量的方法；4、學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率。、實驗儀器YBF 3型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，冰點補償裝置，杜瓦瓶，測試樣品（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)測試儀儀器的面板圖:上面板圖卜面板圖三、實驗原理早在1882年，法國科學(xué)家丁 傅里葉就提出了熱傳導(dǎo)定律，目前各種測量導(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 一個單位的情況下，單位時間內(nèi)垂直通過截面單位面積的熱量。利用（1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)需解決兩個關(guān)鍵的問題：一個是如何在材料內(nèi)造成一個溫 度梯度好并確定其數(shù)值；另一個是如何測量材料內(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，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，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 度梯度測量不準(zhǔn)確。為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱 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單位時間內(nèi)通過某一截面積的熱量 dQ是一個無法直接測定的量，我們設(shè)法dt將這個量轉(zhuǎn)化為較容易測量的量。為了維持一個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，系統(tǒng)就達(dá)到 個動態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)，此時低溫側(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)號表示熱量向低溫方向傳遞。由于質(zhì)量容易直接測量，C為常量，這樣對 銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè) 銅板冷卻速率的測量。銅板的冷卻速率可以 這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加 熱銅板直接對下銅板加熱，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,測出 溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時間的變 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 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,在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，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，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。各項均為常量或直接易測量。3、用溫差電偶將溫度測量轉(zhuǎn)化為電壓測量本實驗選用銅一康銅熱電偶測溫度，溫差為100c時，其溫差電動勢約為 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，熱電偶的溫差電動勢& (mV)

11、與待測溫度T (C)的比值是一個常數(shù)。因此，在用(4)或(4')式計算時，也可以直接用電動勢 e代表溫度To四、實驗內(nèi)容1、手動測量(1)用游標(biāo)卡尺測量樣品、下銅盤的幾何尺寸，多次測量取平均值。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)冰點補償ybf-3廠O信號輸入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）,此時設(shè)定值（SV）顯示屏一位數(shù)碼 管開始閃爍。 . 根據(jù)實驗所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵（ S） 左右移動 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）先放置好待測樣品及下銅盤（散熱盤），調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上、下銅盤接觸良好。安置圓筒、圓盤時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，要抹些硅脂，并插到洞孔底部， 使熱電偶測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。手動控溫測量導(dǎo)熱系數(shù)時，控制方式開關(guān)打到“手動”。將手動選擇開關(guān)打到“高”檔，根據(jù)目標(biāo)溫度的高低，加熱一定時間后再打至“低”檔。根據(jù)溫度的變化情況要手動去控制“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔 5 分鐘

13、讀一下溫度示值（具體時間因被測物和溫度而異），如在一段時間內(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 PID 控溫測量時，控制方式開關(guān)打到“自動”，手動選擇開關(guān)打到中間一檔， PID 控溫表將會使發(fā)熱盤的溫度自動達(dá)到設(shè)定值。每隔 5 分鐘讀一下溫度示值，如在一段時間內(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Ti、T2值后，移去樣品，繼續(xù)對下銅盤加熱，當(dāng)下銅盤溫 度比T2 （對金屬樣品應(yīng)為T3）高出10c左右時，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）的測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。（6）根據(jù)（4）或（4）式計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù) 為（ 7）本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100時，其溫差電動勢約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，對一定材 料的熱電偶而言，當(dāng)溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（0C） 的比值是一個常數(shù)。由此，在用（4）或（4）計算時，可以直接以電動勢值代表 溫度值。五、注意事項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)法測量時，要使溫度穩(wěn)定約要 40分鐘左右。手動測量時，為縮短時 問，可先將熱板電源電壓打在高檔，一定時間后，毫伏表讀數(shù)接近目標(biāo)溫度對應(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)。同時每隔30秒記下上、下 圓盤A和P對應(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)，記下此時的 Vti和VT2值。3、實驗過程中，若移開加熱盤，應(yīng)先關(guān)閉電源，移開熱圓筒時，手應(yīng)拿住 固定軸轉(zhuǎn)動，以免燙傷手。4、不要使樣品兩端劃傷，以免影響實驗的精度。5、數(shù)字電壓表出現(xiàn)不穩(wěn)定或加熱時數(shù)值不變化，應(yīng)先檢查熱電偶及各個環(huán) 節(jié)的接觸是否良好。六、數(shù)據(jù)記錄及處理表1測試次序測試項目12345平均值試樣盤B