TC3B型導熱系數(shù)實驗

1、 穩(wěn)態(tài)法測量固體導熱系數(shù) (TC-3B型固體導熱系數(shù)測定儀)(集成溫度傳感器測溫)實驗講義杭州精科儀器有限公司固體導熱系數(shù)的測量導熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)等因素都會對導熱系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，因此，材料的導熱系數(shù)常常需要通過實驗來具體測定。測量導熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類為動態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時，先用熱源對測試樣品進行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進行測量。而在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如按周期性變化等。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法進行測量?！緦嶒災康摹? 用穩(wěn)態(tài)法測定出不良導體的導熱系數(shù)，并與理論值進

2、行比較。2 用穩(wěn)態(tài)法測定鋁合金棒的導熱系數(shù)，分析用穩(wěn)態(tài)法測定良導體導熱系數(shù)存在的缺點?！緦嶒炘怼扛鶕?jù)傅立葉導熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個垂直與熱傳導方向、彼此間相距為、溫度分別為 的平行平面（設），若平面面積均為，在時間內(nèi)通過面積的熱量滿足下述表達式： ( 1 )式中為熱流量，即為該物質(zhì)的熱導率（又稱作導熱系數(shù)），在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度相差個單位時，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是 。本實驗儀器如圖1所示：在支架上先放上圓銅盤，在的上面放上待測樣品（圓盤形的不良導體），再把帶發(fā)熱器的圓鋁盤放在上，發(fā)熱器通電后，熱量從盤傳到盤，再傳到P盤，由于盤都是良導體，其溫度即可以代

3、表盤上、下表面的溫度 、 ， 、分別由插入盤邊緣小孔鉑電阻溫度傳感器來測量。通過變換溫度傳感器插入位置，即可改變鉑電阻溫度傳感器的測量目標。由式（1）可以知道，單位時間內(nèi)通過待測樣品任一圓截面的熱流量為： ( 2 )式中為樣品的半徑，為樣品的厚度，當熱傳導達到穩(wěn)定狀態(tài)時，和的值不變，于是通過盤上表面的熱流量與由銅盤向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤在穩(wěn)定溫度 時的散熱速率來求出熱流量 。實驗中，在讀得穩(wěn)態(tài)時的和后，即可將盤移去，而使發(fā)熱鋁盤的底面與散熱銅盤直接接觸。當盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的值若干攝氏度后，再將發(fā)熱鋁盤移開，讓散熱銅盤自然冷卻。觀察它的溫度隨時間變化情況，然后由此求出

4、銅盤在的冷卻速率,而 (為紫銅盤的質(zhì)量，為銅材的比熱容)，就是紫銅盤在溫度為時的散熱速率。但要注意，這樣求出的是紫銅盤的全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為（其中分別為紫銅盤的半徑與厚度）。然而，在觀察測試樣品的穩(wěn)態(tài)傳熱時，盤的上表面（面積為）是被樣品覆蓋著的，根據(jù)物體的冷卻速率與它的表面積成正比的原理，這部分面積計算時應予以扣除。那么穩(wěn)態(tài)時銅盤的散熱速率的實際表達式應按如下修正： （ 3 ）將式（3）代入式（2），得： （ 4 ）【實驗儀器】本實驗采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型導熱系數(shù)測定儀。該儀器采用低于的隔離電壓作為加熱電源，安全可靠。整個加熱圓筒可上下升降和左右轉(zhuǎn)動，發(fā)熱圓

5、盤和散熱圓盤的側(cè)面有一小孔，作為插入鉑電阻溫度傳感器之用。散熱盤放在可以調(diào)節(jié)的三個螺栓（接觸點隔熱）上，可使待測樣品盤的上下兩個表面與發(fā)熱圓盤和散熱圓盤緊密接觸。散熱盤下方有一個軸流式風扇，在需要快速降溫時用來強制散熱。一個插在發(fā)熱圓盤（上盤）的小孔內(nèi)集成溫度傳感器，作為系統(tǒng)控溫和上盤溫度檢測用（出廠時已安裝）。另一個集成溫度傳感器根據(jù)實驗步驟需要，分別插入散熱銅圓盤（下盤）或發(fā)熱鋁圓盤（上盤）的側(cè)面小孔內(nèi)。鉑電阻插入時，其表面要涂少量的硅脂，集成溫度傳感器的兩個接線端插在儀器面板的插座內(nèi)。變換溫度傳感器的插入位置，可以由數(shù)字表方便地讀取上、下盤的溫度值。儀器的數(shù)字計時裝置，計時范圍，分辯率，

6、供實驗時計時用。儀器還設置了自動溫度控制裝置，控制精度，分辨率，供實驗時控制加熱溫度用?！緦嶒瀮?nèi)容】在測量導熱系數(shù)前應先對散熱盤和待測樣品的直徑、厚度進行測量。1用游標卡尺測量待測樣品直徑和厚度，各測5次。2用游標卡尺測量散熱盤的直徑和厚度，測5次，按平均值計算盤的質(zhì)量。也可直接用天平稱出盤的質(zhì)量（產(chǎn)品出廠時盤的質(zhì)量已用鋼印打在上面）。一不良導體導熱系數(shù)的測量 ：1實驗時，先將待測樣品（例如硅橡膠圓片）放在散熱盤上面，然后將發(fā)熱鋁盤放在樣品盤上方，并用固定螺母固定在機架上，再調(diào)節(jié)三個螺栓，使樣品盤的上下兩個表面與發(fā)熱鋁盤和散熱銅盤緊密接觸。2將集成溫度傳感器插入散熱盤側(cè)面的小孔中，并將集成溫度

7、傳感器接線連接到儀器面板的傳感器插座。用專用導線將儀器機箱后部插座與加熱組件圓鋁板上的插座加以連接。為了保證溫度測量的準確性，采用同一個溫度傳感器測溫，在需要測量發(fā)熱盤和散熱盤溫度時，采用手動操作，變換溫度傳感器的測溫對象。3接通電源，在“溫度控制”儀表上設置加溫的上限溫度（具體操作見附錄）。按加熱開關，如果上限溫度設置為，那么當傳感器的溫度到達，大約加熱分鐘后，發(fā)熱鋁盤（上盤）、散熱銅盤（下盤）的溫度不再上升時，說明系統(tǒng)已達到穩(wěn)態(tài)，這時每間隔分鐘測量并記錄和的值。5測量散熱盤在穩(wěn)態(tài)值附近的散熱速率（）。移開發(fā)熱鋁盤，取下橡膠盤，并將發(fā)熱鋁盤的底面與銅盤直接接觸，當盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)值值若

8、干度（例如左右）后，再將發(fā)熱鋁盤移開，讓散熱銅盤自然冷卻，這時候，每隔30秒(或自定)記錄此時的值。根據(jù)測量值可以計算出散熱速率。二金屬導熱系數(shù)的測量 ：1將圓柱體金屬鋁棒置于發(fā)熱圓盤與散熱圓盤之間，上下表面涂上導熱硅脂。（這時候，測溫點應該變換到鋁棒的上、下小孔中）2當發(fā)熱盤與散熱盤達到穩(wěn)定的溫度分布后， 、值為金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤的溫度為 值。因此測量盤的冷卻速率為 ：由此得到導熱系數(shù)為： 測值時可在 、達到穩(wěn)定時，將插在鋁圓柱體“上小孔”或“下小孔”中的集成溫度傳感器取出，改插入散熱盤小孔中進行測量。三空氣的導熱系數(shù)的測量 ：當測量空氣的導熱系數(shù)時，通過調(diào)節(jié)三個螺栓，使發(fā)

9、熱圓盤與散熱圓盤平行，它們之間的距離為 ，并用塞尺進行測量（即塞尺的厚度，一般為幾個毫米），此距離即為待測空氣層的厚度。注意：由于存在空氣對流，所以此距離不宜過大。 【注意事項】1集成溫度傳感器插入發(fā)熱鋁盤和散熱銅盤側(cè)面的小孔時應在溫度傳感器頭部涂上導熱硅脂，避免因傳感器接觸不良，造成溫度測量不準。2實驗中，抽出被測樣品時，應先旋松加熱圓筒上端的固定螺釘。樣品取出后，小心將加熱圓筒降下，使發(fā)熱鋁盤與散熱銅盤接觸，重新擰緊固定螺釘。3實驗操作過程中要注意防止高溫燙傷。【數(shù)據(jù)與結(jié)果】1 實驗數(shù)據(jù)記錄（ 銅的比熱，密度 ）散熱盤：質(zhì)量 = (g) 半徑： （）測量次數(shù)12345 橡膠盤： 半徑 （）

10、測量次數(shù)12345 穩(wěn)態(tài)時 、的值： ， 測量次數(shù)12345散熱速率：每間隔測一次時間（）03060901201501802102 根據(jù)實驗結(jié)果，計算出不良導熱體的導熱系數(shù)(導熱系數(shù)單位換算：（) ，并求出相對誤差?！靖戒洝?PID智能溫度控制器該控制器是一種高性能?？煽亢玫闹悄苄驼{(diào)節(jié)儀表，廣泛使用于機械化工、陶瓷、輕工、冶金、熱處理等行業(yè)的溫度、流量、壓力、液位自動控制系統(tǒng)?？刂破髅姘宀贾脠D：例如需要設置加熱溫度為，具體操作步驟如下：1 先按設定鍵SET 0.5秒,進入溫度設置。(注：若學生不慎按設定鍵時間長達5秒，出現(xiàn)進入第二設定區(qū)符號，這時只要停止操作5秒，儀器將自動恢復溫控狀態(tài)。)2按位移鍵，選擇需要調(diào)整的位數(shù)，數(shù)字閃爍的位數(shù)即是可以進行調(diào)整的位數(shù)。3按上調(diào)鍵或下調(diào)鍵確定這一位數(shù)值，按此辦法，直到各位數(shù)值滿足設定溫度