3.5固體的導熱系數的測定【實驗簡介】導熱系數是反映物體導熱性能的一個物理量，它不僅是評價材料熱學性能的依據，而且是材料在應用時的一個設計依據，在加熱器、散熱器、傳熱管道設計、電冰箱及鍋爐制造等工程技術中都要涉及這個參數。由于導熱系數隨物質成分、結構及所處環境的不同而變化，所以確定導熱系數的主要途徑是用實驗的方法。測定導熱系數的方法很多，但可歸納為兩類：一類是穩態法，另一類是動態法。穩態法即先用熱源對試樣加熱，并在樣品內形成穩定溫度分布，然后進行測量；在動態法中，待測樣品內的溫度隨時間而變化。由于穩態法原理簡單，操作容易，本實驗采用穩態法測量固體的導熱系數?！緦嶒災康摹?.學習用穩態法測固體導熱系數，了解其測量條件。2.學習實驗中如何將傳熱速率的測量轉化為散熱速率的測量方法。3.學會用作圖法處理數據?！绢A習思考題】1.本實驗用穩態法平板法測物體的導熱系數要求樣品處于一維穩態熱傳導，什么是一維穩態熱傳導，實驗中如何保證？2.如何測散熱盤在溫度為T3時的冷卻速率？3.如何利用熱電偶測溫？【實驗儀器】YBF-2型導熱系數測定儀，保溫杯，游標卡尺，橡皮樣品，硬鋁樣品，絕熱圓環?！緦嶒炘怼?.導熱系數當物體內部溫度不均勻時，就會有熱量自發地從高溫部分向低溫部分傳遞，在物體內部會發生熱傳導現象。設在物體內部Z=Z0處沿垂直于熱量傳遞方向截取一截面ds，由熱傳導定律可知，在時間dt內通過截面ds傳遞的熱量為(3.5.1)式中表示在Z=Z0處的溫度梯度，λ為物體的導熱系數，或稱熱導率，它表示在單位溫度梯度影響下，單位時間內通過垂直于熱量傳遞方向單位面積的熱量，是表征物體導熱性能大小的物理量，單位為W/(m·K)。導熱系數的大小與物質的結構、成分以及所處環境溫度有關。不同材料具有不同的導熱系數，根據導熱系數的大小，將固體材料劃分為熱的良導體和熱的不良導體，導熱系數大的物體稱為熱的良導體，導熱系數小的物體稱為熱的不良導體。一般說來，金屬的導熱系數比非金屬的大，為熱的良導體，非金屬為熱的不良導體。2.穩態平板法測固體的導熱系數穩態法測固體導熱系數的實驗裝置如圖3.5.1所示。在支架上依次放散熱銅盤、待測樣品和加熱盤。散熱銅盤下面有三個微調螺釘，可以使樣品和加熱盤、散熱盤接觸良好。加熱盤采用電加熱，對加熱盤加熱,熱量通過樣品傳到散熱盤，由散熱盤向周圍環境散熱，當加熱速率、傳熱速率、散熱速率相同時，系統達到動態平衡，在樣品內形成穩定的溫度分布，樣品上下表面的溫度可由兩根熱電偶插入樣品上下表面的小孔內測得。加熱盤和散熱盤的側面各有一個小孔，對于不良導體樣品來說，由于加熱盤和散熱盤都是熱的良導體，其溫度可代表樣品上下表面的溫度，因此，測不良導體樣品上下表面的溫度時，由兩根熱電偶分別插入加熱盤和散熱盤的小孔內測定。圖3.5.1圖3.5.1將待測樣品加工成厚度為h、橫截面積為S的平板狀（通常為圓盤），放在加熱盤和散熱盤之間（應注意使其接觸良好），如果樣品橫截面小于加熱盤和散熱盤的橫截面，可以用兩個絕熱圓環套在樣品的上下表面上。用加熱盤加熱樣品，使得在樣品內形成穩定的溫度分布。設穩態時樣品上下表面溫度分別為T1和T2,若樣品側面絕熱，則沿圓盤軸向方向溫度是線性下降的，這種情況下認為系統處于一維穩態熱傳導，由式（3.5.1）可知，在Δt時間內，沿軸向方向通過截面S傳遞的熱量ΔQ為（3.5.2）變換式（3.5.2）得（3.5.3）其中為穩態時樣品的傳熱速率。由上式可知，只要測出h、S及穩態時的T1、T2、，就可求出樣品的導熱系數λ。h、S、T1、T2都比較容易測量，下面介紹樣品傳熱速率的測量。樣品傳熱速率是一個無法直接測量的量，測量時設法將其轉化為容易直接測量的量。在穩定導熱狀態下，通過樣品的傳熱速率等于散熱盤在穩態時從側面及下表面的散熱速率。為此，待樣品達到穩定導熱狀態后，記下穩態時樣品上下表面溫度T1、T2及散熱盤溫度T3（注意：對于不良導體來說，樣品下表面溫度T2可以認為等于散熱盤的溫度T3），拿走樣品，讓加熱盤直接對散熱盤加熱，待散熱盤溫度高出T3若干（10左右）后，移去加熱盤，讓散熱盤在環境中自然冷卻，則散熱盤在溫度T3時的散熱速率為（3.5.4）其中為散熱盤在溫度為T3時的冷卻速率，其值可由散熱盤在自然冷卻過程中T～t曲線在T3處切線的斜率求得?？紤]到自然冷卻過程，散熱盤熱量通過其上下表面及側面散熱，而穩態熱傳導過程中，散熱盤熱量僅由下表面及側面散熱，由于散熱速率與散熱面積成正比，因此（3.5.5）R1、h1分別為散熱盤的半徑及厚度。將上式代入式（3.5.3）得(3.5.6)本實驗用銅－康銅熱電偶測溫，由于熱電動勢的大小與溫差成正比，因此將熱電動勢的大小代入上式不影響測量結果,式（3.5.6）可改寫為（3.5.7）ε1、ε2和ε3分別為穩態使插入樣品上下表面及散熱盤的熱電偶熱電動勢的大小，ε為插入散熱盤的熱電偶在自然冷卻過程中熱電動勢的大小。這種測量導熱系數的方法要求樣品側面絕熱，對于不良導體來說，通常將樣品做的很薄，其側面散熱可以忽略不計，但對于金屬，由于它是熱的良導體，一方面樣品不能做的太薄，另一方面其側面散熱不能忽略不計，所以用這種方法測量金屬的導熱系數時，必須用絕緣材料使其側面絕熱?！緦嶒瀮热菖c步驟】1.測橡皮樣品的導熱系數1.1用游標卡尺測出橡皮樣品的直徑和厚度，多次測量求其平均值，記下散熱盤的幾何尺寸、質量（在盤上已標明），其中銅的比熱容為。1.2將樣品放在加熱盤和散熱盤之間，并使它們接觸良好，兩根熱電偶分別插入加熱盤和散熱盤的小孔內，設定加熱盤溫度（60℃左右），采用自動控溫對樣品進行加熱，待系統達到穩定導熱狀態，測樣品上下表面的溫度、，多次測量求平均值。1.3移去樣品，用加熱盤直接對散熱盤加熱，待散熱盤溫度高于若干（0.1mV）后，移去加熱盤，讓散熱盤在環境中自然冷卻，每隔半分鐘記錄一次散熱盤的溫度，做出冷卻曲線，求出。1.4計算橡皮樣品的導熱系數，并分析誤差產生的原因。2.測硬鋁樣品的導熱系數2.1用游標卡尺測硬鋁樣品的直徑和厚度，多次測量求其平均值。2.2將硬鋁樣品側面絕熱，樣品的上下表面周圍分別套一個絕熱圓環，放在加熱盤和絕熱盤之間，兩根熱電偶分別插入硬鋁樣品上下表面的小孔內，設定加熱盤溫度，采用自動控溫對樣品加熱，待樣品達到穩定導熱狀態，記下樣品上下表面的溫度、，然后將其中一個熱電偶插入散熱盤的小孔內，測出散熱盤的溫度。2.3移去樣品，用加熱盤直接對散熱盤加熱，待散熱盤溫度高出若干，移去加熱盤，讓散熱盤在環境中自然冷卻，測出散熱盤溫度隨時間的變化，作出冷卻曲線，求出，計算硬鋁樣品的導熱系數。【數據記錄與處理】表1測橡皮樣品的導熱系數hC1m1R1h1S橡皮表2測硬鋁樣品的導熱系數hC1m1R1h1S橡皮【注意事項】1.置樣品時應使樣品和加熱盤、散熱盤接觸良好。2.測、時，系統達到穩定導熱狀態再進行測量，測散熱盤的冷卻曲線時，數據點要選取合適。3.安放加熱盤、散熱盤時應使加熱盤、散熱盤的小孔與杜瓦瓶在同一側，以免線路錯亂。熱電偶熱端插入小孔時不能插錯，為保證接觸良好要抹上些硅油，并插入小孔底部，熱電偶冷端浸入冰水混合物中。⒋移開加熱盤時，應關閉電源，手握固定轉軸，以免燙傷手。實驗結束后，保管好待測樣品，不要使樣品兩端面劃傷，影響實驗精度?！舅伎碱}】1.通過～曲線上一點求斜率的隨意性很大，給測量帶來很大誤差，能否將曲線變為一條直線，求直線的斜率？需要保證什么實驗條件？2.分析比較原理中提到的兩種測量導熱系數方法的使用條件及實驗中如何保證?！靖戒洝績x器介紹電壓表（mV）計時表（s電壓表（mV）計時表（s）PID自動控制▲SETSVPV信號輸入指示燈信號選通開關復位啟停計時表風扇控制方式自動手動手動控制高低O1234567893.5.21.電壓表顯示窗口用來顯示熱電偶輸出熱電動勢的大小。2.計時顯示窗口用來顯示計時時間。3.加熱盤溫度設置窗口按SET按鍵，可以通過▲、▲、▼按鈕設定加熱盤溫度，再按一次SET鍵，完成對加熱盤溫度的設定。SV窗口顯示加熱盤設定溫