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1、1,第二章 贮热相变材料的热物性和工作性能 第一部分,焦冬生 热科学和能源工程系,2,提纲,贮热相变材料热物性 理论计算相变潜热 改善相变材料的热物性 导热系数和比热容,3,一、贮热相变材料的热物性及测定方法,相变材料的热物性 相变温度、相变潜热、导热系数、比热容、密度、膨胀系数 温度测量 热量测量 一般卡计法； 热分析法 差热分析法 (Differential Thermal Analysis, DTA)； 差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 导热系数 稳态法（Steady-state methods） 瞬态法（Transient
2、methods）,4,温度测量理论,热力学第零定律 如果两个热力学系统中的每一个都和第三个热力学系统处于热平衡，那么，它们彼此也必定处于热平衡。这个结论叫做热力学第零定律。 The zeroth law of thermodynamics states that if two separate thermodynamic systems are each in thermal equilibrium with a third, then all three are in thermal equilibrium with each other. 热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础。这个定
3、律反映出,处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这个特征就是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数。这个状态函数被定义为温度。 定义是定性的。只能判断两系统的温度相等或不等，只是标定而非测量。 通常物理量测量都是用标准单位的整数或小数表示。,5,温度测量理论,热力学第二定律 热量总是自发地从高温物体(系统)传到低温物体 。 功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所获得的热量转变为功。 第二定律从热量自发流动的方向判别出物体温度的高低。 The second law of thermodynamics states that “Every
4、 process occurring in nature proceeds in the sense in which the sum of the entropies of all bodies taking part in the process is increased.,6,温度测量理论,卡诺定理 在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机其效率都相等，而与工作物质无关，只与温差有关。 在相同高温热源与相同低温热源间工作的一切热机中，不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。,7,温度测量理论,热机效率： 开尔文提出建立一种不依赖于任何测温物质的温标。 并规定： 称为热力学
5、温标 定义水的三相点温度(热力学温标)tr=273.16 K 由卡诺定理得到的热力学温标，温度才有“比”意义上的测量.,8,温度测量理论,理想气体状态方程 测量成为可能,9,温度测量理论,热力学第三定律 当温度趋向于绝对零度时，系统的熵趋向于一个固定的数值，而和其他性质如压强等无关。这一结论又叫做Nernst(能斯脱)热定理。 不可能用有限的手续使系统冷却到绝对零度。这个结论叫做绝对零度不可到达原理。,Left side: Absolute zero can be reached in a finite number of steps if S(0,X1)S(0, X2). Right: An
6、 infinite number of steps is needed since S(0,X1)= S(0,X2).,10,温度测量理论,温标： 选择某种物质的某一随温度变化的状态参量来标识温度； 规定温度与测量参量之间的函数关系； 选择并规定温度值。 普 通温度计： 水银温度计 热电偶温度计： 康铜铜 电 阻温度计： Pt100，半导体，热敏电阻 气 体温度计： 定容、定压 光 学温度计： 高温,11,温标,Temperature scales differ in two ways: the point chosen as zero degrees, and the magnitudes
7、of incremental units or degrees on the scale. The Celsius scale (C) is used for common temperature measurements in most of the world. It is an empirical scale. It developed by a historical progress, which led to its zero point 0C being defined by the freezing point of water, with additional degrees
8、defined so that 100C was the boiling point of water, both at sea-level atmospheric pressure. Because of the 100 degree interval, it is called a centigrade scale. Since the standardization of the kelvin in the International System of Units, it has subsequently been redefined in terms of the equivalen
9、t fixing points on the Kelvin scale, and so that a temperature increment of one degree celsius is the same as an increment of one kelvin, though they differ by an additive offset of 273.15. The United States commonly uses the Fahrenheit scale, on which water freezes at 32 F and boils at 212 F at sea
10、-level atmospheric pressure. Many scientific measurements use the kelvin temperature scale (unit symbol K), named in honor of the Scottish physicist who first defined it. It is a thermodynamic or absolute temperature scale. Its zero point, 0K, is defined to coincide with coldest physically-possible
11、temperature (called absolute zero). Its degrees are defined through thermodynamics. The temperature of absolute zero occurs at 0K = -273.15C (or 459.67 F), and the freezing point of water at sea-level atmospheric pressure occurs at 273.15K =0C.,12,国际温标(ITS-90)的固定点,a. e-H2指平衡氢，即正氢和仲氢的平衡分布，在室温下正常氢含75%
12、正氢、25%仲氢；* 第二类固定点 b. VP-蒸汽压点；CVGT-等容气体温度计点；TP-三相点(固、液和蒸汽三相共存的平衡度)；FP-凝固点和MP-熔点(在一个标准大气压101325Pa下，固、液两相共存的平衡温度)，同位素组成为自然组成状态。,13,气体温度计,气体温度计的原理是基于PV/T=常数，分为定容气体温度计和定压气体温度计,多用氢气或氦气作测温物质. 定容气体温度计是气体的体积保持不变，压强随温度改变。 定压气体温度计是气体的压强保持不变，体积随温度改变。 定压气体温度计精度高，测量范围大（-260 160 ），性能稳定，可用作温度标准器。但结构复杂，操作，使用和修正麻烦。故除
13、在高温范围外，实际工作中一般者使用定容气体温度计。,14,玻璃液体温度计,水银温度计（-200-600）、水银温度计（石英：-35-500；加压：-35-600 ）、洒精温度计（-80-80）。 工作原理基于液体在玻璃外壳中的热膨胀作用。当储存液泡的温度发生变化时玻璃管内液柱随之长高或降低，通过温度标尺测温。感温介质有汞、酒精、戊烷等，使用戊烷测温低至-200。结构简单，使用方便，价格便宜，广泛用于工农业、科研、教学、生活中，但易碎、不能记录。,15,热电偶温度计简介,热电偶,16,在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得
14、到了不断的发展，并日趋完善。 塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路中，如果对接点a加热，那么，a,b两接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流产生，使得接在电路中的电流表发生偏转。这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相应的电势称为温差热电势或塞贝克电势，它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。,17,由塞贝克效应产生的电压可以表示成：,18,在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。 另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便
15、，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。,19,热电动势由两部分电动势组成， 一部分是两种导体的接触电动势， 另一部分是单一导体的温差电动势。,热电偶原理示意图,20,热电偶的基本定律,1、均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。 2、中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。 3 、标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。,21,热电偶,B、E、K、J、 R、 S、T七种标
16、准化热电偶 S热电偶 铂铑10-铂 0-1300 B热电偶 铂铑30-铂铑6 600 -1700 E热电偶 镍铬-铜镍 -40 - 800 K热电偶 镍铬-镍硅 -40 -1000 R热电偶 铂铑13-铂 0 -1400 J热电偶 铁-康铜 -200 - 600 T热电偶 铜-康铜 -100 - 400 N热电偶 镍铬硅-镍硅镁 -40 -1300 ,22,热电偶冷端温度补偿电路,热电偶的输出特性曲线,四臂电桥冷端补偿,设20时，电桥平衡 不考虑Rs和四臂电桥的负载影响。 T0温度升高， 上升， 上升。 补偿器选择的 产生的,24,美国国家半导体公司生产的 LM334 集成电路是一只温度传感器，可提供与 K 氏温度成正比的电流。,25,热电阻,本传感器是利用金属
