论导热系数的测定

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1、实验论文论导热系数的测定论导热系数的测定摘要：导热系数的测定有很大的实用价值。本文详细介绍了稳太发和非稳太法测量不良导体 的导热系数。通过对在实验过程遇到的问题及实验结果的分析，比较两种方法的优缺点；以 及在解决问题过程的收获。关键词：导热系数；稳态法；非稳态法（一）引言：导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显影响，因此导热系数由实验具体测定。测量导热 系数的方法一般分为两类:稳态法、非稳态法。（二）稳态法测导热系数【试验目的】用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。【实验原理】根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、

2、彼此间相距为h、温度分别为6、9的平行平面（设6 9 ），若平面面积为S,在At时间1 2 1 2内通过面积S的热量AQ满足下述表达式:9 -9(1)式中 匹 为热流量，九即为该物质的热导率 dt（又称作导热系数），九在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量 ，其单位是图1传感器与样品W m-1 - k-1。由式（1）可以知道，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为dt9 - 912hB2）公式中R为样品的半径，h为样品的厚度，当然传导达到稳定状态时，9 9B B 1 2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速度相等， 因

3、此，可通过铜盘P在稳定温度9时的散热速度来求出热流量dQ。试验中，在2d t读得稳定时的9、和9后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘P接触。12当盘P的温度上升到高于稳定时的9值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜2盘P自然冷却。观察其温度随时间 变化情况同，然后由求出铜盘在9的冷却2速率| ，而meI = dQ （为紫铜盘P的质量，C为铜材的比热容）就是 dt 9=92dt 9=92 dt紫铜盘P在温度为9时的散热速度但要注意，这样求出的聖是P盘的全部表面2dt暴露与空气中的冷却速率，其散热表面积为2兀R2 +2兀R h （其中R与h分别 p p p p为紫铜盘的半径与厚度）。然而在观察测

4、试样品的稳态传热时，P盘的上表面（面积为兀R2 ）是被样覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则 p稳态时P盘散热速率进行修正得：4)(R 2h ) hPPBt (2R 2h )() R2PP 12 B实验仪器介绍和连接】、 仪器包含有：热源：电热管、加热铜板；样品架：样品支架、样品 板；测温部分：铜一康铜热电偶、数字电压表。二、整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热圆盘的侧面有一 小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可 使待侧样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘 P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。三、两个热电偶的冷端分别插

5、在放有冰水的真空保温杯中的两根玻璃管中。 热端分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内并分别将其插入加热 盘 A 和散热盘 P 的热电偶接线连接到仪器面板的传感器。利用面板上的 开关可方便地直接侧出两个温差电动势。铜线冰水園/I四、实验时，先将待测样（例如硅橡胶圆片）放在散热盘上面，然后将发热盘A 放在样品盘B上方，并用固定螺旋母固定在机架上。再调节三个螺旋头，使样品 盘的上下表面与发热盘和散热盘紧密接触。【实验内容】在测量导热系数前应先对散热盘P和待测样品的直径、厚度进行测量。1、用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。2、直接用天平称出P盘的质量。不良导体导热系数的测量1、将电压开关打在

6、220V快速加热，待6 =4.00mV时将开关拨至110V慢速1加热待6降至3.5mV手控调节电压使A6变化在0.03mV范围内，同时每隔两 1 1分钟记录6、6 ， 6在10分钟不变为稳定状态，记录6、6 。12 2 1 22、移去样品让A和P接触。使P比6高0. 4mV，再移去A，在P上盖上样2品B，让P自然冷却。每隔30秒记录一次，取临近6。的数据，求出匹| 。2Qt 6=6 2【数据处理与结果】1、试验数据记录(铜的比热c=0.09197cal.g-i. C-1，比重8. 9g/cm3)散热盘 P： 质量 m= 913.8 (g)半径 R = D =6.504 (cm)p 2 p橡胶盘

7、：半径R = D =6.448 (cm)B 2 B稳态时值（转换见附录2的分度表）12345 1 (mV)3.493.513.533.503.508 2(mV)1.981.981.981.981.98散热速率：时间（秒）3060901201501802102408(mV)22.172.152.142.101.951.941.901.862、据试验结果，计算出不良导热体的导热系数九=5.389x 10-2Wm-1OC-1,并求出相对误差半=讐= 響=驾补98 = 0.0005。九ao先0,013、误差分析：自然冷却的影响；样品两端面有划痕；导热系数一般随温度而变化。注意事项】1、放置热电偶的散热

8、圆盘侧面的小孔应与杜瓦瓶同一侧，避免热电偶线相 互交叉。2、试验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒侧面的紧定螺钉。样品取 出后，小心将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，应防止高温烫伤。 三）闪光法测导热系数实验目的及要求】1. 测不良导体的热导率；2. 了解一种测热参数的方法3. 学会用微机控制实验及采集处理数据。【实验原理】应用：建筑材料及保温材料需测热导率，要求低比较好。近年来，非稳态法因其测量时间短而得到广泛应用。非稳态法采用非稳态导 热微分方程，测得的是温度随时间的变化关系，得到热扩散率a,利用材料的已 知密度P和比热容C，就可求得热导率入二apC。1. 热导率入，反映物质导热能力

9、的重要参数，表示单位时间单位长度温度降低 一度时，单位面积上通过的热量。单位为W/mK。付立叶导热定律：q = -XgradT，q :热流密度矢量，表示在单位等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量。2. 非稳态法测热导率：利用非稳态导热微分方程。假设一束能量为Q的脉冲光在t=0时照射在试样表面，且被均匀吸收，可用一维 导热微分方程：dT (x, t) d 2T (x, t)exdtdx2(0 x L)解得 热扩散率：a=1.38L2/n2t1/2从而热导率：入二1.38pCL2/n2t1/2t为最大温升的一半所对应的时间值。1/2本实验装置分为三部分，光学系统；测温系统；数据采集和处理系统

10、。本实验全过程仅十几秒，时间短，使用微机快速进行数据采集和处理。由D/A转换功能触发光脉冲，同时用A/D转换功能采集由PN结温度传感器接收到的样品背面的温度随时间的变化，由微机屏幕显示出温升曲线。【实验仪器介绍和链接】一、仪器包含有：闪光法导热仪、高压脉冲疝灯及电源、光学调节系统、待 测样品、P-N结温度传感器、放大电路、AD/DA卡、微机、软件二、仪器介绍；1、光学系统：半酣高压脉冲疝灯、疝灯电源、椭球反光镜、样品和样品盒、 疝灯及样品的三维调节装置。本实验用的高压脉冲疝灯形状为直管状。 当电极的两端加高压6001000V，极间就会发出耀眼的白光(不能用肉 眼直接观看)，对试样进行加热。2、

11、测温系统：包含PN结温度传感器、测温电路板、试样等3、数据采集和数据处理系统：包含微机、多通道高速AD/DA转换卡、软件 等三、仪器安装和连接1、光学系统使疝灯电极中心在第一焦点处（距反光镜底口约15mm处）。调节样品架 位置距反光镜大口约96.6mm。2、测温系统测温系统的主要示意框图本实验的电路已由实验室事先连接好，PCI7483卡、信号放大卡、电路板 等都已经置于相应的卡槽中，我们做的就只需要将测温二极管与补偿二极管用专 线接入放大电路中【闪光法热导仪软件的安装步骤】1硬件安装部分首先关机，打开机箱，插入pci7483卡及信号放大卡，再开机， WINDOWS XP已经安装完成，只用将分辨

12、率设定为1024*768。2. 在C盘中建立文件夹C:program fileshotecpci7483,将随A/D卡U盘中文 件夹driverpci7483中所有文件拷入上述文件夹中。3. 将前述文件夹 pci7483 中 windrvr.vxd 和 windrvr.sys 两文件拷入 c:windowssystem 和 c:windowssystem32drivers 两文件夹中。4. 从控制面板【系统】设备管理器中安装JUNG0pci7483,定制驱动程序位置 c:program fileshotecpci74835点击开始【运行】浏览，找到c:programfileshotecpci7

13、483wdreg.exe, 在其后加一空格，再加in tall，确定，执行之。6插入本实验系统安装U盘，点击“setup”图标，自动安装本系统软件 【数据采集和处理】1，系统原理系统包括微机、多通道高速AD/DA转换卡、软件等。本实验测量样品温度 随时间变化的规律全过程仅十几秒，时间短，使用微机能快速进行数据采集和处 理。本实验对微机要求为80486以上，考虑到一机多用，选用了 Intel800MHzCPU, 128MB内存，20GB的硬盘.脉冲光照射样品，使样品温度升高，通过温度传感器，转化为电信号，再经过 放大电路放大后，由AD转换卡转换为计算机可以识别的数字信号，然后输出相关 参量，就可

14、用Windows95/98操作系统进行数据处理。采集过程中DA转换功能用 于去触发高压脉冲电源，使氙灯极间放电发出闪光。2、采集过程(1) 在桌面找到TC-II闪光法热导仪实验系统”点击两下，则进入程序。从 主菜单中选“文件”，在“文件”菜单中选“新建”项，则当前屏幕的主窗 口中新开一个子窗口，包括数据区和图像区。再选择主菜单中“数据”项中的“选 项”，设置 AD/DA 卡参数，再选择“采集与报警”，确定后，再打开主菜单中“数 据”，点击“开始采集”项，则窗口中显示出实时采集的“温升-时间”图像。若 在“采集与报警”中设置“外触发脉冲”为“ 5V”，高压脉冲电源将自动触发氙 灯打火辐照样品，同

15、时采集一幅“温升-时间”图像，这就是由样品背面采集的温 升曲线。(2) . 测量待测样品的温升曲线，每隔 10 分钟测一次，共测 3 次，求出 值。样品的厚度已在前面给出(因样品已固定于样品架中，不易取出测量)，计算试样材料的热导率。密度和比热容可利用厂家给出的材料样品自己进行测量实验室提供测量装置如天平、尺、量热器 、温度计等。（3）. 对同一样品在不加热的情况下取其“温升-时间”曲线（此曲线为“本底”），观察由于环境温度的波动、二极管本身的热噪声等因素对测量结果的影响，给出评价3、数据处理 TC-II闪光法吳导仪实螫系统- HOHAIE町二 立件的 辭辑 数据)窗口址)帮肋a & o曙X %&a9i数据