金属导热系数测量[最新]
金属导热系数测量
实验原理
1、傅里叶热传导方程
导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量。测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。
如图(一)所示。设一粗细均匀的圆柱体横截
Sh面积为,高为。经加热后,上端温度为,下端T1
温度为,,热量从上端流向下端。若加热一TTT,122
段时间后,内部各个截面处的温度达到恒定,此时虽然各个截面的温度不等,
但相同的时间内流过各截面的热量必然相等(设侧面无热量散失),这时热传
递达到动态平衡,整个导体呈热稳定状态。法国数学家,物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程
TT,,Q12,,S (1) ,th
,Q,t,是时间内流过导体截面的热量,叫传热速率。比例系数就是,Q,t
瓦wShT材料的导热系数(热导率),单位是。在此式中,、和、()1mK 米开
,QT容易测得,关键是如何测得传热速率。2,t
2、用稳态法间接测量传热速率
如图二所示,将待测样品夹在加热盘与散热盘之间,且设热传导已达到
稳态。由(1)式可知,加热盘的传热速率为
2TTTTdTT,,,,,(),Q12121212 (2),,,Sd,,,,thhh44
dh为样品的直径,为样品的厚度。
散热盘的散热速率为
,,QT,Cm (3),,ttTT,2
,T
C为散热盘材料的比热,为散热盘的质量,表示散热盘在温m,tTT,2度是时的冷却速率。 T2
(2)、(3)两式右边相等:
2,,dTT(),,T12,Cm, 4ht,TT,2
4CmhT,,?, (4)2,dTTt(),,TT,122
,Q(4)式表明,无需直接测量传热速率,但必须测量散热盘在稳态温,t
,TTTT度时的冷却速率,测量冷却速率的方法是,在读取稳态温度、后。122,t
将样品盘抽走,用加热盘与散热盘直接接触,给散热盘加热,使散热盘的温
T度升高到高于的某个适当值;然后再移开加热盘,让散热盘在空气中作自2
,T然冷却,每隔一定的时间测一次温度值,即可求出在附近的冷却速率。T2,t但必须注意的是,散热盘在稳态时的冷却上表面是被样品覆盖着的,只有下表面和侧面散热,现在自然冷却所有的表面都是暴露的。考虑到冷却速率还与散热面积成正比,根据本实验使用的散热盘的尺寸。
3、用温差电偶将温度测量转化为电压测量
如图三所示,把两种不同的金属丝彼此熔接,
组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度
和 下,则会产生温差电动势,回路中有电流。如
果将回路断开(不在接点处),虽无电流,但在断
开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶
或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温
差电动势与两接点间的温度差成正比,
,,,,()TT, 0
TT为冷端温度,为热端温度,,叫温差电系数。 0
在本实验中,使用两对相同的铜—康铜热电偶,,相同,它们的冷端均
T放在浸入冰水混合物的细玻璃管中,也相同。当两个热端分别接触加热盘0
,,12TT,,TT,,和散热盘时,可得样品上下表面的温度分别为:,,所2010,,以
,,,12TT,, 12,
,,或, T,,,
4Cmh,,
,,0.555 ,这样,式(5)可以写为 (6)2dt(),,,,,,,,122
dhC(6)式就是本实验所依据的公式。和分别为样品的直径和厚度,和分别为散热铜盘的比热和质量,和分别为加热至稳态时通过热电偶测,,m12
,,
出的两个温差电动势(由数字电压表读出),为散热盘在时的,,,2,t,,,2冷却速率。
实验仪器
导热系数测定仪(TC—3)、杜瓦瓶、游标卡尺(见图片)
实验内容
(1)先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端(见下图),并在金属圆筒两端涂上导热硅胶,然后置于加热盘A和散热盘P之间,调节散热盘P下方的三颗螺丝,使金属圆筒与加热盘A及散热盘P紧密接触。
(2)在杜瓦瓶中放入冰水混合物,将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中,热端分别插入金属圆筒侧面上、下的小孔中,并分别将热电偶的的接线连接到导热系数测定仪的传感器I、II上。
(3)接通电源,将加热开关置于高档,当传感器I的温度T约为3.5mV时,1
再将加热开关置于低挡,约40min。
(4)待达到稳态时(T与T的数值在10min内的变化小于0.03mV),每隔12
2min
记录
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T和T的值。 12
(5)测量散热盘P在稳态值T2附近的散热速率,移开加热盘A,先将两测温热端取下,再将T2的测温热端插入散热盘P的侧面小孔,取下金属圆筒,并使加热盘A与散热盘P直接接触,当散热盘P的温度上升到高于稳态T的2值约0.2mV左右时,再将加热盘A移开,让散热盘P自然冷却,每隔30s记录此时的T值。 2
(6)用游标卡尺测量金属圆筒的直径和厚度,各5次。
(7)记录散热盘P的直径、厚度、质量。 注意事项
1、 如用了导热硅胶,用后一定要搽干净。
2、热电偶温度计用后不要拆下