穩(wěn)態(tài)法測(cè)量物體的導(dǎo)熱系數(shù)——講義

1、實(shí)驗(yàn)4 穩(wěn)態(tài)法測(cè)量物體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體傳熱性能的物理量，它與材料本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、濕度及壓力等因素有關(guān)。測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源對(duì)樣品加熱，樣品內(nèi)部的溫差使熱量從高溫向低溫處傳導(dǎo)，則待測(cè)樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，根據(jù)這一溫度分布就可以計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)。而在動(dòng)態(tài)法中，最終在樣品內(nèi)部所形成的溫度分布是隨時(shí)間變化的。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法。 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過程；（2）用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定熱的不良導(dǎo)體橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)；（3）學(xué)習(xí)用溫度傳感器測(cè)量溫度的方法?！绢A(yù)習(xí)要點(diǎn)】（1）復(fù)習(xí)游標(biāo)卡尺的使用； （2）熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)是什么？用什么公式描述這一

2、現(xiàn)象？（3）用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，穩(wěn)態(tài)指的是什么？怎樣判斷是否到達(dá)穩(wěn)態(tài)？（4）本實(shí)驗(yàn)怎樣通過轉(zhuǎn)換法計(jì)算傳熱速率？計(jì)算散熱速率時(shí)，怎樣采集和選用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？ 圖4.1熱傳導(dǎo)【實(shí)驗(yàn)原理】當(dāng)物體內(nèi)部溫度不均勻時(shí)，熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫處傳遞到低溫度處，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，它是熱交換基本形式之一。設(shè)在物體內(nèi)部垂直于熱傳導(dǎo)的方向上取相距為、溫度分別為、的二個(gè)平行平面(圖4.1)。由于很小，可認(rèn)為二平面的面積均為，則在時(shí)間內(nèi)，沿平面S的垂直方向所傳遞的熱量滿足下列傅里葉導(dǎo)熱方程式 (4.1)上式為熱傳導(dǎo)的基本公式，由法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·傅里葉(Joseph Fourier)導(dǎo)出。式中

3、比例系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù)，又稱熱導(dǎo)率，它是表征材料熱傳導(dǎo)性能的一個(gè)重要參數(shù)。與物體本身材料的性質(zhì)及溫度有關(guān)，材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)多寡對(duì)都有明顯的影響，同時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)也有影響。在各向異性材料中，即使同一種材料，其各個(gè)方向上的值也不相等。由式(4.1)知，導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于兩個(gè)相距單位長(zhǎng)度的平行平面，當(dāng)溫度相差一個(gè)單位時(shí)，在垂直于熱傳導(dǎo)方向上單位時(shí)間內(nèi)流過單位面積的熱量。在國(guó)際單位制中，的單位是，過去也常用非國(guó)際單位制，它們之間的換算是實(shí)驗(yàn)裝置如圖4.2所示。固定于底架的三個(gè)支架上支撐著一個(gè)散熱銅盤，散熱盤以借助底座內(nèi)的風(fēng)扇，達(dá)到穩(wěn)定有效的散熱。在散熱盤上安放待測(cè)樣品，樣品上放置加熱盤，加熱盤是由

4、單片機(jī)控制的自適應(yīng)電加熱。加熱時(shí)，加熱盤的底面直接將熱量通過樣品上表面?zhèn)魅霕悠?，同時(shí)，樣品把吸收到的熱量通過樣品下表面不斷地向銅盤散出，當(dāng)傳入樣品的熱量等于樣品傳出的熱量時(shí)，樣品處于穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)狀態(tài)，此時(shí)樣品上、下的溫度為一穩(wěn)定值，上面為，下面為。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱方程式，穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品的傳熱速率為 (4.2) 圖4.2 FD-TC-B 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀裝置圖A.加熱板；B.待測(cè)樣品；C.散熱銅盤當(dāng)樣品達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過樣品的傳熱速率與銅盤向周圍環(huán)境的散熱速率相等，即在相同的時(shí)間內(nèi)，向樣品所傳遞的熱量等于銅盤向周圍環(huán)境所散失的熱量。銅盤在溫度降低時(shí)散失的熱量為，其中和分別為銅盤C的質(zhì)量和比熱。因此，在穩(wěn)定

5、溫度附近銅盤的散熱速率為。實(shí)驗(yàn)時(shí)只要設(shè)法獲得銅盤的冷卻速率，即可求得樣品的傳熱速率。當(dāng)讀得穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度值、 后，把樣品拿走，讓銅盤與加熱板的底面直接接觸，使銅盤的溫度上升到高于若干度后，移開加熱盤，讓散熱盤在電扇作用下冷卻，每隔一定的時(shí)間間隔采集一個(gè)溫度值，由此求出銅盤在溫度附近的冷卻速率。由于物體的冷卻速率與它的散熱面積成正比，考慮到銅盤散熱時(shí)，其表面是全部暴露在空氣中，即散熱面積是上、下表面與側(cè)面，而實(shí)驗(yàn)中達(dá)到穩(wěn)態(tài)散熱時(shí)，銅盤的上表面卻是被樣品覆蓋著的，故需對(duì)加以修正。修正后，銅盤的散熱速率為因，即，代入式(5.2)得 (4.3)式中，、分別為散熱銅盤的直徑和厚度；而、是樣品橡膠圓盤的直徑

6、與厚度?！緦?shí)驗(yàn)儀器】FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀裝置如圖4.2所示,它由電加熱器、銅加熱盤、橡膠樣品圓盤、銅散熱盤、支架及調(diào)節(jié)螺絲、溫度傳感器以及控溫與測(cè)溫器組成，游標(biāo)卡尺，電子天平。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】(1) 取下固定螺絲，將橡膠樣品放在加熱盤與散熱盤中間，橡皮樣品要求與加熱盤、散熱盤完全對(duì)準(zhǔn)；要求上下絕熱薄板對(duì)準(zhǔn)加熱和散熱盤。調(diào)節(jié)底部的三個(gè)微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好，但注意不宜過緊或過松；(2) 按照?qǐng)D4.2所示，插好加熱盤的電源插頭；再將2根連接線的一端與機(jī)殼相連，另一有傳感器端插在加熱盤和散熱盤小孔中，要求傳感器完全插入小孔中。在安放加熱盤和散熱盤時(shí)，還應(yīng)注意使放置傳感器的小孔

7、上下對(duì)齊。（注意：加熱盤和散熱盤兩個(gè)傳感器要一一對(duì)應(yīng)，加熱盤“控溫”，散熱盤_“測(cè)溫”）。(3) 開啟電源后，設(shè)定加熱器控制溫度：按升溫鍵左邊表顯示由B00.0可上升到B80.0攝氏度。一般設(shè)定75較為適宜。再按確定鍵，顯示變?yōu)锳XX.X 之值，即表示加熱盤此刻的溫度值。右邊表頭顯示散熱盤的測(cè)量溫度。打開電扇開關(guān)，儀器開始加熱。(4) 加熱盤的溫度上升到設(shè)定溫度值時(shí)，開始記錄散熱盤的溫度，待在1分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度值基本不變，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。(5) 按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個(gè)螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，使散熱盤溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時(shí)的值左右即可。(6) 移去加熱盤，讓散熱圓盤在風(fēng)扇作用下冷卻，每隔20秒記錄一次散熱盤的溫度示值，直至銅盤溫度低于 約個(gè)數(shù)據(jù)為止。從記錄的數(shù)據(jù)中取出包含的十個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)填入下表。作出溫度與時(shí)間的關(guān)系圖，求出直線的斜率。(7) 用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣品及銅盤的厚度與直徑，用電子天平稱出銅盤的質(zhì)量。(8) 根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，由式(4.3)求出橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)(采用SI制，單位為)。表4.1 銅盤在T2附近自然冷卻時(shí)的溫度示值穩(wěn)態(tài)時(shí)的