導熱系數(shù)的測量實驗報告

./導熱系數(shù)的測量導熱系數(shù)〔又稱導熱率是反映材料熱性能的重要物理量,導熱系數(shù)大、導熱性能好的材料稱為良導體,導熱系數(shù)小、導熱性能差的材料稱為不良導體。一般來說,金屬的導熱系數(shù)比非金屬的要大,固體的導熱系數(shù)比液體的要大,氣體的導熱系數(shù)最小。因為材料的導熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化,而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響導熱系數(shù)的數(shù)值,所以在科學實驗和工程設計中,所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。一．實驗目的用穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導熱系數(shù)。利用穩(wěn)態(tài)法測定鋁合金棒的導熱系數(shù),分析用穩(wěn)態(tài)法測定不良導體導熱系數(shù)存在的缺點。實驗原理熱傳導是熱量傳遞過程中的一種方式,導熱系數(shù)是描述物體導熱性能的物理量。單位時間內通過某一截面積的熱量dQ/dt是一個無法直接測定的量,我們設法將這個量轉化為較容易測量的量。為了維持一個恒定的溫度梯度分布,必須不斷地給高溫側銅板加熱,熱量通過樣品傳到低溫側銅板,低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。單位時間通過截面的熱流量為：當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時,系統(tǒng)就達到一個動態(tài)平衡,稱之為穩(wěn)態(tài),此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣,只要測量低溫側銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率,也就間接測量出了樣品內的傳熱速率。但是,銅板的散熱速率也不易測量,還需要進一步作參量轉換,我們知道,銅板的散熱速率與冷卻速率〔溫度變化率dQ/dt=-mcdT/dt式中的m為銅板的質量,C為銅板的比熱容,負號表示熱量向低溫方向傳遞。由于質量容易直接測量,C為常量,這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達到穩(wěn)態(tài)后,移去樣品,用加熱銅板直接對下銅板加熱,使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2〔大約高出10℃左右,再讓其在環(huán)境中自然冷卻,直到溫度低于T2,測出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時間的變化關系,描繪出T—t曲線〔見圖2,曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時T2下的冷卻速率。應該注意的是,這樣得出的是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率,其散熱面積為2πRp2+2πRphp〔其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度,然而,設樣品截面半徑為R,在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時,銅板的上表面〔面積為πRp2是被樣品全部〔R=Rp或部分〔R<Rp覆蓋的,由于物體的散熱速率與它們的面積成正比,所以穩(wěn)態(tài)時,銅板散熱速率的表達式應修正為：將上式代入熱傳導定律表達式,考慮到ds=πR2,可以得到導熱系數(shù)：式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、c為銅的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。各項均為常量或直接易測量。三．主要實驗儀器TC－3B型導熱系數(shù)測試儀,測試樣品〔硬鋁、硅橡膠、膠木板、空氣等、游標卡尺等。實驗內容不良導體導熱系數(shù)的測量用游標卡尺測量樣品、下銅盤的幾何尺寸,5次測量取平均值。設定一個加熱溫度。先放置好待測樣品及下銅盤〔散熱盤,調節(jié)下圓盤托架上的三個微調螺絲,使待測樣品與上、下銅盤接觸良好。將集成溫度傳感器插入散熱盤P側面的小孔中,并將集成溫度傳感器接線連接到儀器面板的傳感器插座。為了保證溫度測量的準確性,采用同一個溫度傳感器測溫,在需要測量發(fā)熱盤A和散熱盤P時手動調節(jié)測溫對象。記錄穩(wěn)態(tài)時T1、T2值后,移去樣品,繼續(xù)對下銅盤加熱,當下銅盤溫度比T2〔對金屬樣品應為T3高出5℃左右時,移去圓筒,讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中,使下銅盤自然冷卻,每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄。根據(jù)測量值求出。金屬導熱系數(shù)的測量將金屬鋁棒至于發(fā)熱盤和散熱盤之間。當發(fā)熱盤與散熱盤達到穩(wěn)定溫度時,記錄上下兩面溫度。此時散熱盤溫度為T3,重復之前步驟測量該溫度下的散熱速率。此時熱導系數(shù)為：空氣的導熱系數(shù)的測量調節(jié)三個螺栓,使發(fā)熱盤也散熱盤平行,它們之間的距離為h,用塞尺測量它們之間的距離。此距離即為空氣層的厚度?！沧⒁猓河捎诖嬖诳諝鈱α?所以此距離不宜過大。實驗數(shù)據(jù)及處理〔1不良導體導熱系數(shù)的測量散熱盤PM=658g12345平均值D/cm9.8409.8329.8409.8349.8349.836h/cm0.9820.9800.9820.9840.9820.982樣品12345平均值D/cm9.9649.9729.9689.9749.9869.973h/cm0.7900.7860.7900.7960.7960.79112345T2/℃56.656.856.856.856.8T1/℃71.271.271.271.271.2T2=56.8℃T1=71.2℃t/s306090120150180210240T3/℃61.861.260.660.059.458.858.257.7由以上數(shù)據(jù)可得散熱盤半徑R1=4.918cm待測樣品半徑為R2=4.987cm〔2金屬導熱系數(shù)的測量12345平均值D/cm2.8182.8082.8222.8162.8262.818L/cm6.9166.9166.9186.9126.9086.914T1=61.4℃T2=56.5℃T3=55.8℃t/s306090120150180210240270T/℃58.357.757.156.555.855.254.654.053.4〔3空氣的導熱系數(shù)的測量h=1.98mmT1=71.1℃T2=45.1℃t