实验固体热导率的测量

《实验固体热导率的测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验固体热导率的测量（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、实验十三体热导率的测量【实验目的】1. 用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较；2. 初步学习用热电偶进行温度测量。【实验原理】测量热导率的方法比较多，可以归并为两类基本方法：一类是稳态法；另一类为动态法。用稳态法时， 先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量；而在动态法中，待测 样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为t和 T2 (设T t2)的平行平面，若平面面积均为 S，则在 t时间内通过面积4 S的热量 Q满足下述表达

2、 式：越=-(13-1Arh式中九即为该物质的热导率，也称导热系数。由此可知，热导率是一个表示物质热传导性能的物理量，其 数值等于两相距单位长度的平行平面上、当温度相差一个单位时、在单位时间内垂直通过单位面积所流过 的热量，其单位为W/mK。材料的结构变化与杂质多寡对热导率都有明显的影响；同时，热导率一般随温 度而变化，所以，实验时对材料成份、温度等都要一并记录。我们这里使用的TC-3型热导率测定仪，就是采用稳态法测量不良导体、金属、空气等多种材料热导 率的一体化实验仪器，由五大部分组成(具体结构如图13-1所示)：(1) 加热源：电热管加热铜板；(2) 测试样品支架：支架、样品板，散热铜板、

3、风扇；(3) 测温部分：热电偶，数字式毫伏表，杜瓦瓶；(4) 数字计时装置：计时范围166分钟，分辨率0.1秒；(5) PID自动温度控制装置：控制精度1C，分辨率0.1C。在支架上先放上圆铜盘B,在B的上面放上待测样品C (圆盘形的不良导体)，再把带发热器的圆铜 盘A放在C上。发热器通电后，热量从A盘传到C盘，再传到B盘，由于A、B盘都是良导体，其温度 即可以代表C盘上、下表面的温度T1和T2，耳、T2分别由插入A、B盘边缘小孔的热电偶I来测量，热 电偶的冷端则浸在杜瓦瓶G中的冰水混合物中，通过传感器切换开关Ki切换A、B盘中的热电偶1、町 与数字电压表F的连接回路。由式(13-1)可以知道

4、，单位时间内通过待测样品C任一圆截面的热流量AQ-为AQ = X 口2 兀 R2(13-2At h CC式中R为样品的半径，h为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，儿和厶的值不变，于是通过样品盘1 2c上表面的热流量与由散热铜盘B向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘B在稳定温度T2时的散热速率来求出热流量人。实验中，在读得稳定时的匚、T2后，即可将C盘移去，而使盘A的底面与铜盘B直接接触。当盘B的温度上升到高于稳定时的值T2若干摄氏度或(0.2mV)后，再将圆盘A移开,让铜盘B自然冷却。观察其温度T2随时间t变化情况，然后由此求出铜盘B在厶的冷却速率学 ，Ka Ks Ki F I Ke

5、Kf M22At T=T2A发热盘B散热盘C样品盘F-毫伏表G杜瓦瓶LPID表外接I 一传感器接口计时表疋厂加热选挥Ke凤扇开关IC厂电源开关 疋$计时按钮疋厂传感器切换图13-1兀-3型热导率测定仪结构圉而竺=mc兰AtB At T=T2心 心 Ki I II Ke Kr M加执选择计时店磨器切掘A带电热管的加热铜板B散热詞板C被测样品 D支架机箱E水平调节螺打F毫伏表（3杜瓦瓶H固定轴1一热电偶ICr加热选择IC旷凤扇开关K 丁电源开关疋$计时按钮Kl饋感器切换何一外接I 一加热詞板传感器插座II一散热铜板传感器插座图1卜2 TC-d型热导率测定仪连线图图1 Ad TC-d型热导率测定仪主

6、面板布置图（mB为紫铜盘B的质量，c BAT求出的为铜材的比热容），就是紫铜盘B在温度为T2时的散热速率。但要注意：这样是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为2兀R 2+ 2兀R h （其中 BB BAt t=t2Rb与hB分别为紫铜盘B的半径与厚度）。然而，在观察测试样品C的稳态传热时，B盘的上表面（面积为 BB兀R 2）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，B 式应作如下修正：AQ AT=m cAtB At将式（13-3）代入式（13-2）,得.AT九=m cB At T=T2nR h ）、B B ） + 2nR h 丿BB B（R + 2h ） hX

7、B BX 2 （2R + 2h ）（T T ）兀R2BB 12C则稳态时铜盘B散热速率的表达（133）（134）【实验仪器】TC-3型热导率测定仪，橡胶样品,TW-1型物理天平，游标卡尺，冰水，硅油。 使用注意：（1）使用前将加热铜板A与散热铜板B擦干净，样品两端面擦干净后，可涂上少量硅油，以保证接 触良好。（2）实验过程中，如需触及电热板，应先关闭电源，以免烫伤。（3）实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验的正确性。【实验内容】在测量热导率前应先接通电源，加热器开关KA打到高热（III）档，并对散热盘B和待测样品盘C的 直径、厚度进行测量。1、用游标卡尺测量

8、待测样品盘C直径和厚度，各测1次。2、用游标卡尺测量散热盘B的直径和厚度，各测1次，计算B盘的质量，也可直接用天平称出B盘 的质量。、不良导体热导率的测量1. 把橡胶盘C放入加热盘A和散热盘B之间，用三个螺旋头E夹紧（拧去固定轴H不用）。2. 在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入加热盘A和散热盘B侧面的小孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面 板的传感器插座I和I上，如图13-2所示。（1）园筒发热体盘A侧面和散热盘B的侧面，都有供安插热电偶I的小孔，安放发热盘A时此两小 孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插

9、入小孔时，要抹上一些硅油，并插到洞孔底部，保证 接触良好，热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。（2）本实验选用铜-康铜热电偶，温差100K时，温差电动势约4.2mV。3. 测量稳态时温度T和T2的数值。接通电源，打开电扇开关KB （使散热盘有效、稳定地散热），将 “温度控制PID”仪表上设置加温的上限温度（100C ），加热器开关KA打到高热（III）档，当传感器I 的温度T约为4mV左右时，再将加热开关KA置于“ II ”或“ I ”档，降低加热电压。使加热盘A和散 热盘B逐步达到稳定的温度分布（约需40分钟时间）。当达到稳态时，每隔3分钟记录Vti和VT2的值

10、。注意：当达到稳态时，兀和兀的数值在10分钟内的变化小于0.03毫伏，或兀的数值在10分钟内 不变即可认为已达到稳定状态，约需40分钟时间。T2说明：对一般热电偶来说，温度变化范围不太大时，其温差电动势mV值与待测温度值的比是一个常 数，因此，在用公式.（13-4）.计算热导率时，可以直接用温差电动势值取代温度值。4. 测量散热盘B在温度稳态值厶附近的散热速率。移开圆盘A,取下橡胶盘C,并使圆盘2At t=t2A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到咼于稳定态的值T2若干度（0.2mV左右）后，关掉加 热器开关Ka （电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时橡胶盘C不再放上），让铜盘B

11、自然冷却， 记录T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度稳态值T2在其测量范围以内）。5. 关掉电扇开关KB和电源开关Kfo二、金属热导率的测量（选做）1、将圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发热圆盘与散热圆盘之间。2、在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端 （两条红线）分别插入分别插入金属圆柱体上的上下两孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座I和I上。3、当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，TT2值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘 B的温度为T2值。因此测量B盘的冷却速度为：AQAt t=t2由此得到

12、热导率为.AT九二 m - c b At（2R + 2h ）4、测量散热盘B在温度稳态值厶附近的散热速率丁。移开圆盘A,取下金属圆柱体C,并使2At t=t2圆盘A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到高于金属圆柱体上的下表面的稳定态值T2若干度 （0.2mV左右）后，关掉加热器开关Ka （电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时金属圆柱体C 不再放上），让铜盘B自然冷却，记录T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度 稳态值T2在其测量范围以内）三、空气热导率的测量（选做）当测量空气的热导率时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为h,并用塞尺进行测 量（

13、即塞尺的厚度），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。【数据处理】1.基本数据铜的比热容 c = 385.06J/ （Kg K）室温t二土C,(1)散热盘B直径2RB =土mm,半径RB =土mm,厚度hB =土mm,丿页里m =B土g(2)橡胶盘C直径2RC =土mm,半径RC =土mm,厚度hC=土mm2实验数据(1)稳态时T,、T2的1数据(每隔3分钟记录)i12345平均T (mV)T2 (mV)(2)散热速率t (s)0306090120150180ATAt tT2 (mV)3.根据实验结果，计算出不良导热体的热导率九。硅橡胶的热导率由于材料的特性不

14、同，范围为 0.072W/(m K)0.165W/(m K),本实验给出的硅橡胶热导率在285K (12C)左右时为九0=O.165W/ (m K),铝合金热导率的理论参考值为130150 W/ (m K)求出百分差。附录铜一康铜热电偶分度表温度(C)热电势(mV)012345678900.0000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.078