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1、用准稳态法测定有机玻璃的导热系数摘要：在对准稳态法测量导热系数原理分析的基础上，本文介绍了用准稳态法测量有机玻 璃的导热系数。通过对测量数据的处理分析加强了对瞬态导热过程特点的理解。实验结果表明， 该装置能较准确地测量试样的导热系数。关键词：准稳态法；导热系数；有机玻璃Abstract: On the basis of analysis of the principle of the quasi-steady state tecliiiiqiie to measure the thennal conductivity, the measurement of the thermal conduc
2、tivity of organic glass was described. lluougli the process of the data, the understanding of the transient heat conduction was strengthened. The experimental results indicated that the apparahis is able to measure thermal conductivity of the sample precisely.Keywords: Quasi-steady state methed; Tli
3、ermal conductivity; Organic glass0引言导热系数作为物质的重要物理参数，在化工、能源、动力工程等领域有着重要的用途，是 许多工业流程和产品设计中必不可少的基础数据。物质的导热系数可以通过实验测量、理论推 算或计算机模拟等方法來获得，但目前仍然以实验测量为主。根据导热系数的实验测量原理， 其测量方法大致可以分为稳态法和非稳态法。其中，非稳态法由于测量时间短、测量精度可以 与稳态法相当而得到快速发展。目前，用于导热系数测量的非稳态法有瞬态热丝法、探针法和 平板准稳态法等。本文就是介绍利用平板准稳态法來测量有机玻璃的导热系数并做相关讨论分 析。1准稳态法测量原理在介绍
4、准稳态法测量导热系数原理之前，首先对用该方法测量导热系数加热过程中无限大 平板温度的变化进行分析。设平板厚度为26 ,初始温度为t。，平板两面受恒定的热流密度qc 均匀加热（如下图所示）。根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度 分布t(x, T )可由下面方程组解得；3t(x, r)a2t(x,r)mTTf=adrdxt(x,0) = t0輕 j负 A次 o, o方程组的解为：? 8咻小 呼等一時+暫(一 1严尹昭決咲展)(1)式中：T 一一时间；入一一平板的导热系数；a 一一平板的导温系数；t一一初始温度;F = 一傅立叶准则；/Zn = 117T ,
5、 n=l, 2、3；qc一一沿X方向从端面向平板加热的恒定热流密度。随着时间T的延长，F。数变大，式(1)中级数和项愈小。当Foo,5时，级数和项变得很小，可以忽略，式(1)变成t(x,r)-to =(2)由此可见，当FoO. 5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常 数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。在准稳态时，平板中心面X二0处的温度为：平板加热面X二&处为:t(0, r)-tot(m(3)(4)此两面的温差为：M = t(5E 1(0,)=丄 12 A己知丄和6 ,再测出就可以由式(3)求出导热系数:兄=整 W/(mC) 2xAt式中丄一边界面上常热流密度，W/m
6、2;入一导热系数，W/(mC)；6 无限大平壁厚度的一半，m； t无限大平壁变截面与中心平面的温度差，C。测出丄、5 At,既可用上式计算得到入。在理想情况下，这种动态稳定状态可以一直保持。而实际上，由于温度随时间升高、绝热 层漏热及四周散热逐渐显著而使试样两端温度差At发生变化，系统脱离准稳态。由于无限大 平板只是理论上的假设，而实际试样的尺寸总是有限的，因此，在实验中，往往通过测量试样 两端面中心处的温差来得到理论上无限大平板时两端的温差。实验证明，当试样的横向尺寸为 厚度的6倍以上时，两端散热对试样中心温度的影响己在工程误差允许的范围之内，可以忽略 不计。由式（4）可知：只要测得试样的厚
7、度、直径、加热功率和进入准稳态后上下底面的温差， 即可求得待测试样的导热系数。2装置与仪表高电阻箔式加热器、绝热体、测本实验装置如图2-1所示。实验装置包括有机玻璃试板、 试仪表、有机玻璃罩等。3实验步骤1. 用游标卡尺测量试块长、宽、厚度，检查是否满足长和宽为厚度610倍以上，若满 足，将测得的长、宽、厚度值记录到实验报告中。2. 检查标准电阻值、两个高电阻箔式加热器电阻值与面积，并记录到实验报告中。3. 检查仪表是否正常，若正常，按图中接好两个高电阻箔式加热器并联加热电路。4. 按图中从下到上顺序垂直对齐叠放各试块、热电偶、高电阻箔式加热器、上绝缘体、 加压板等（注意，热电偶的热结点应放在
8、接触面中心处），并用螺母整体固定。5. 调整电位差计（见其使用说明书），将量程转换开关打倒lmv档。6. 用电位差计测量初始时刻两个加热面热电势（温度）。若两个热电势差值在4“v以内（或 温度差值在0.1C以内），实验可以进行下去，将初始时刻上、下加热面与中心平面热电势记录 到实验报告中。7. 交流稳压电源通电，秒表开始计时。每隔2分钟，用电位差计测量上下加热面与中心 平面热电势一次，记录到实验报告中。8. 调整高电阻箔式加热器两端电压，使通电后1030分钟达到准稳态阶段时At5Co9. 达到准稳态阶段后，用电位差计测量上、下加热面与中心平面热电势、标准电阻上电 压，记录到实验报告中。10.
9、关掉电源，取出试块等，还原装置与仪表。4实验报告1.原始与测量记录室温：29-C试材时间(min)热电偶热电势(mV)名称：有机玻璃 长度(m) 0.2 宽度(m) 0.2 厚度(m) 0.01下加热面上加热面中心热面01.1951.1961.19521.2111.2121.19641.2181.2191.20061.2241.2251.205标准电阻81.2291.2301.210名称：BZ3直流 型标准电阻电阻(G) 0.01 电压(V) 25101.2331.2351.215121.2411.2421.223141.2451.2461.228161.2491.2501.233181.25
10、31.2541.237加热器201.2571.2581.241名称:康铜箔 电阻(G)上104.09 下 105.02加热面积F(nF)0.004221.2601.2611.245241.2641.2651.249261.2681.2681.253281.2711.2711.257*下加热面 -上加热面 中间面由图示可认为从第12分钟以后导热进入准稳定状态，上下加热面与中间面电势差大约 0.016mV,根据热电势与温度对照表换算成温差约为0.4C。2. 数据处理及误差分析1) 通过每个高电阻箔式加热器电流I;11=254-104. 090. 240(A)12=254-105. 020. 238
11、(A)2) 通过每个高电阻箔式加热器热流密度qc；ql二O.Mx 104.09 一 0.04二149. 890 q2=0.2382 X 105.02 十 0.04=148. 7203) 材料的导热系数九.2149. 89X0. 014-24-0. 4=1. 87 或 2148. 72X0. 014-24-0. 4=1. 865思考题1. 准稳态与非稳态的区别何在？非稳态过程温度场随时间变化，受初始条件影响很大；准稳态阶段温度变化率与环境 温度变化相同，受初始条件影响己很小。2. 严格地说，本实验是否是一维导热，为什么？严格來说，本实验不是一维导热。因有机玻璃试件和加热箔不是无限大，温度不只沿 厚度变化，尤其在边缘处向四周散热。3. 若实验中去掉上、下绝热体，对实验结果有和影响？因无限大平板中间面相当于一个绝热面，实验中上下绝热面的作用就是使加热面两侧 的试样形成对称温度场，以使加热箔产生的热量均匀向两侧传导，便于求得热流密度q, 参考文献11杨世铭，陶文銓.传热学.高等教育出版社，20062 卢建航，孙宏，尹海山.用准稳态法测定橡胶及橡胶基复合材料的导热系数和比热容J 轮胎工业，2001, 21 (5)3 吴江涛，潘江，张可，刘志刚.一种全口动的准稳态法导热系数测量装置J. 口动化仪表，2005,26(5)
