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1、非稳态（准稳态）法测材料的导热性能一、实验目的测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。二、实验原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2 S ,初始温度为t ,平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任 0何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t（x, t ）。导热微分方程式、初始条件和第二类t (X,T ) t06 2 一 3x 265+ 6 h (-l)n+ln=1cos(卩 f )exp(y2F )|Ll 2n 60n1)式中：T 时间（s）；入板的导热系数（w/m C）;a 平板的导热系数（m 2/s）；n=1,2,3,F 傅
2、立叶准则；026t 初始温度（C）；0q 沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度（w/m 2）； c随着时间T的延长，F数变大，式（1 ）中级数和项愈小。0当F0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成: 0由此可见，当F 0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化 0的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：q 5 1仞）-to十（頁-6平板加热面x= S处为：q 5 aT 1t （5 ,T） 一t =厂（+ ）（3）o 九 5 23此两面的温差为：1 q 5At = t (5 ,T) t (0,T) =2 人如已知q和&,再测
3、出就可以由式（3）求出导热系数:c、q5 A = c(4)2At实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为 试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不 计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：q F = CFp5 dcd T式中：F为试件的横截面（m2）；C为试件的比热（J/kgC）;P 为试件的密度（kg/m 3）， 1200 kg/m 3;d为准稳态时的温升速率（C/s） dT由上式可得比热：qC =cdtp5dT实验时，d以试件中心处为准。 d三、实验装置 （ 图 2）按上述理
4、论及物理模型设计的实验装置如图 2所示，说明如下：图2实验裝置图1试件试件尺寸为200mm X 200mm XS，共四块，尺寸完全相同，&=10mm。每块试件 上下面要平齐 ， 表面要平整。2）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20m,加上保护箔的绝缘薄 膜，总共只有70m。其电阻值稳定，在0-100 C范围内几乎不变。加热器的面积 和试 件 的 端面 积相 同 ， 也是 200mm X 200mm 的正 方形。 两个加 热 器 的 电 阻值 应尽量 相同， 相差应在0.1%以内。3）绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层， 力求减少热量通过， 使试件1、4与绝 热层的接触面接近
5、绝热。这样，可假定式（4）中的热量q等于加热器发出热量的c0.5 倍 。4）热 电 偶 利用热电偶测量试件2两面的温度及试件2、3接触面中心处的温升速率。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1 和2及试件3和4之间放入 加热器 1 和 2， 试件和加热器要对齐， 温度传感器的放置如图 2。四、实验步骤（见PC机界面说明）1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度&。2、按图2放好试件、加热器和温度传感器，接通电源。3、接通电源，给加热器通以恒定电流，（实验过程中，电流不允许变化），同 时启动秒表，每隔一分钟记录试件2两侧热电势（由热电势查温度值），经一段时 间后（随所测材料而不同，一般在10
6、-20 分钟）系统进入准稳态。4、第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加 热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必 须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。5、实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、实验数据记录和处理试件截面尺寸F： 0.2 X0.2 试件厚度0.01 m试件材料密度P =1200 kg/m3加热功率p： w时间分0123456热电势mV1234时间分78910111213热电势mV1234计算：计算热流密度q w/c准稳态时的温差At （平均值）C准稳态时的温升速率竺C/Sd然后，即可计算出试件的导热系数入w/m k 和比热cJ/ kg C
