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导热系数的测量

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导热系数的测量. 兰州理工大学物理实验中心. 预 备 知 识. 导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量。在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态法测量材料热导率。通过实验可以加深对热传导规律的理解,体会使用参量转换法的设计思想,掌握用温度传感器测量的方法。. 导热系数的测量. 实验目的 实验仪器 实验原理 实验内容及操作 数据处理. 实 验 目 的. 1、 掌握稳态法测材料导热系数的方法 2、 掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 。. YBF - 2 型导热系数测试仪 杜瓦瓶

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Presentation Transcript
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导热系数的测量

兰州理工大学物理实验中心

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预 备 知 识

导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量。在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态法测量材料热导率。通过实验可以加深对热传导规律的理解,体会使用参量转换法的设计思想,掌握用温度传感器测量的方法。

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导热系数的测量

  • 实验目的
  • 实验仪器
  • 实验原理
  • 实验内容及操作
  • 数据处理
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实 验 目 的
  • 1、掌握稳态法测材料导热系数的方法
  • 2、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。
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YBF-2型导热系数测试仪

杜瓦瓶

测试样品(硬铝、橡皮)

游标卡尺等

实 验 仪 器
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仪 器 简介

仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源,固定于底座上的3个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘,样品上下面可与加热铜盘及散热铜盘紧密接触。散热盘下方有一轴流式风扇,用来快速散热,两个热电偶的冷端浸于杜瓦

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瓶的冰水混合物中,热端插入样品上下的两个小孔中。热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内,利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势。温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量,再根据铜—康铜分度表转换成对应的温度值。瓶的冰水混合物中,热端插入样品上下的两个小孔中。热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内,利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势。温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量,再根据铜—康铜分度表转换成对应的温度值。

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实 验 原 理

热传导定律:如果热量沿着x方向传导,那

么在x轴上任意位置x0处取一个垂直截面△S

(如图),以 表示在x处的温度梯度,以

表示在该处传

热率(单位时间通

过截面△S的热量),

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那么热传导定律可以表示成

式中负号表示热量从高温区向低稳区传

导(即传导的方向与温度梯度的方向相

反)。式中比例系数极即为热导率,亦

称导热系数。

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实 验 思 路

本实验的关键是给样品造成一个稳定的传热状态(如图)在此状态下,温度梯度

T1、T2是样品上下表面的稳定温度,h是样品的厚度。

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令样品的半径为R ,高度为h

铜盘的半径为RP ,高度为hP

则样品的传热速率

热导率

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实 验 内 容 与 操 作

1、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径和高度。

2、安装、调整整个实验装置。安放样品时,须使插入热电偶的小孔与杜瓦瓶、数字电压表位于同一侧。调节散热盘下面的三个螺旋测微头,使待测样品的上下表面与加热盘和散热盘紧密接触。热电偶热端插入小孔底,保证热电偶热端与样品或铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶中浸入冰水混合物中。

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3、根据稳态法,为得到稳定的温度分布,可先将电源电压打到“高”档,几分钟后θ1=4.00mv即可将开关拨到“低”档,通过调节电热板电压“高”、“低”及“断”电档,使θ1读数在±0.03mv范围内,同时每隔30秒读θ2的数值,如果在2分钟内样品下表面温度θ2示值不变,即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与θ1,θ2对应的T1,T2值。3、根据稳态法,为得到稳定的温度分布,可先将电源电压打到“高”档,几分钟后θ1=4.00mv即可将开关拨到“低”档,通过调节电热板电压“高”、“低”及“断”电档,使θ1读数在±0.03mv范围内,同时每隔30秒读θ2的数值,如果在2分钟内样品下表面温度θ2示值不变,即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与θ1,θ2对应的T1,T2值。

加热过程中打开散热盘下面的微型轴流式风扇,以形成一个稳定的散热环境。稳态后取下一支热电偶,插入散热盘小孔,记录稳态时散热盘温度值T3。

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4、取出样品,使加热盘与散热盘直接接触,再加热。当散热盘温度比稳态时的T3高出约10℃(电压表读数约增加0.5mV)时,停止加热,并立即移去加热盘,让散热盘开始自然冷却,并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值,直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。4、取出样品,使加热盘与散热盘直接接触,再加热。当散热盘温度比稳态时的T3高出约10℃(电压表读数约增加0.5mV)时,停止加热,并立即移去加热盘,让散热盘开始自然冷却,并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值,直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。

5、求冷却速率。

以时间为X轴温度为Y轴作出散热盘的冷却曲线,画出经过冷却曲线上T3点的切线,其斜率即为温度T3时散热盘的冷却速率。

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数 据 处 理

1、根据

计算

及其不确定度,正确表示结果。

2. 将测得样品的 与标准值 比较,计算

相对误差。

0:硬铝热导率的参考值(273K时) , 0=140W/(m·K)

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注 意 事 项

1、热电偶丝较细,应尽量避免弯折。

2、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。

3、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高,注意避免烫伤。

4、不要划伤样品端面,以免影响实验精度。

5、电压表出现不稳定或加热时数值不变化,应先检查热电偶及各个环节的接触是否良好。

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思 考 题

1、测导热系数λ要满足哪些条件?在实

  验中如何保证?

2、测冷却速率时,为什么要在稳态温度

T2(或T3)附近选值?如何计算冷却

速率?

3、讨论本实验的误差因素,并说明导热

系数可能偏小的原因。