導(dǎo)熱系數(shù)精品課件

1、導(dǎo)熱系數(shù)課件第1頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三2樣品的導(dǎo)熱系數(shù)大小與導(dǎo)熱性能有什么關(guān)系？一、 開篇設(shè)問（一） 預(yù)備問題1樣品的導(dǎo)熱系數(shù)大小與溫度有什么關(guān)系？（二）學(xué)生容易出錯的問題 1測定散熱盤冷卻速率時為什么要在穩(wěn)態(tài)溫度20附近選值？第2頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（三）課后要思考的問題或擴展問題。1分析本實驗中的主要誤差來源？2個別儀器的溫度計存在的測量誤差（并且假定我們無法對溫度計進行調(diào)整），這一誤差會影響導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度，對此你有什么好的解決辦法嗎？請?zhí)岢瞿愕姆桨浮５?頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三二、背

2、景介紹 （一）導(dǎo)熱系數(shù)及其穩(wěn)態(tài)法測量熱傳導(dǎo)是指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換的過程。從微觀上說，熱傳導(dǎo)或者說導(dǎo)熱過程是以自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程；從宏觀上說，它是由于物體內(nèi)部存在溫度梯度，而發(fā)生從高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。熱量傳遞的三種途徑：熱傳導(dǎo)、熱對流、以及熱輻射。導(dǎo)熱性能較好的物體稱為良熱導(dǎo)體，導(dǎo)熱性能較差的物體稱為不良熱導(dǎo)體。定量描述物體導(dǎo)熱性能的物理量是導(dǎo)熱系數(shù)，一般說來，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大；固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。第4頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三導(dǎo)熱系數(shù)是描述材料性能的一個重要參數(shù)，

3、在鍋爐制造、房屋設(shè)計、冰箱生產(chǎn)等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)，而且通過研究物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，還可以進一步了解物質(zhì)組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。所以，導(dǎo)熱系數(shù)的研究和測定有著重要的實際意義。在科學(xué)實驗和工程設(shè)計中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。其測量方法大致上有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩類。 穩(wěn)態(tài)法是在加熱和散熱達到平衡狀態(tài)、樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度分布的條件下進行測量。非穩(wěn)態(tài)法則是指在測量過程中樣品內(nèi)部的溫度分布是變化的，變化規(guī)律不僅受實驗條件的影響，還與待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。本實驗介紹一種比較簡單的利用穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法。 第5頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（

4、二）實驗?zāi)康?掌握穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法。2. 了解物體散熱速率和傳熱速率的關(guān)系。第6頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（三）科學(xué)家簡介傅里葉（Jean Baptiste Joseph Fourier，17681830）,法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。1768年3月21日生于法國中部歐塞爾一個裁縫家庭，1830年5月16日卒于巴黎。9歲父母雙亡，被當(dāng)?shù)亟烫檬震B(yǎng)。12歲由一主教送入地方軍事學(xué)校讀書。17歲回鄉(xiāng)教數(shù)學(xué)，1794到巴黎，成為高等師范學(xué)校的首批學(xué)員，次年到巴黎綜合工科學(xué)校執(zhí)教。1798年隨拿破侖遠征埃及時任軍中文書和埃及研究院秘書，1801年回國后任伊澤爾省地方

5、長官。由于對熱傳導(dǎo)理論的貢獻于1817年當(dāng)選為科學(xué)院院士，1822年任該院終身秘書，后又任法蘭西學(xué)院終身秘書和理工科大學(xué)校務(wù)委員會主席。主要貢獻是在研究熱的傳播時創(chuàng)立了一套數(shù)學(xué)理論。第7頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三圖一 導(dǎo)熱系數(shù)實驗裝置示意圖當(dāng)如圖一所示的系統(tǒng)達成熱平衡時，通過待測樣品的傳熱率和散熱黃銅盤向側(cè)面和下面的散熱率相同，即有三、實驗原理第8頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（1（1）式（1）中10、20是傳熱穩(wěn)定時的樣品上下表面溫度， 是樣品的傳熱速率， 是黃銅盤散熱率。 根據(jù)傅立葉的熱傳導(dǎo)定律，（1）式左邊可以寫為：（2）第9頁，共

6、24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三而根據(jù)物體的散熱率與冷卻率之間的關(guān)系，（1）式右邊可以寫為：（3）式(3)中m是散熱黃銅的質(zhì)量，c是黃銅比熱。 這樣，只要測出散熱黃銅的冷卻率 ，就可以聯(lián)立（1）、（2）及（3）式而得出導(dǎo)熱系數(shù)，但是，當(dāng)散熱黃銅處在穩(wěn)定系統(tǒng)之中時，其冷卻率不方便測第10頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三量，必須將它獨立放在空氣中才可以測量，這時相應(yīng)的冷卻率我們不妨記為 ，根據(jù)散熱率也即冷卻率與表面積成正比的規(guī)律，可以有如下的關(guān)系式成立：于是我們可以進一步得出導(dǎo)熱系數(shù)的表示式為：第11頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三

7、（4）本實驗在散熱環(huán)節(jié)散熱盤上面未覆蓋樣品，有些教科書要求覆蓋樣品，所得公式與此不同。第12頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三四、實驗儀器1THQDC-1型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。2游標(biāo)卡尺。3天平4鑷子THQDC-1型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（一） 實驗儀器第13頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（二） 注意事項。 1加熱盤溫度設(shè)定值不得高于110，實驗時應(yīng)隨時觀察加熱盤溫度變化。2實驗裝置溫度較高，實驗過程中不要觸摸高溫盤，以防燙傷。3PID智能溫度調(diào)節(jié)器出廠前各參數(shù)均設(shè)置好，實驗時可以修改加熱盤溫度設(shè)定值SV，修改其它參數(shù)時應(yīng)謹(jǐn)慎，否則影響控溫效果。4實驗過程中

8、Pt100金屬部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否則影響測溫精度。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三6測定儀面板上有0220V加熱電源，連接和分開加熱電源線時均應(yīng)先關(guān)閉電源總開關(guān)，以防觸電。5實驗應(yīng)在室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定及無風(fēng)的條件下進行，否則將影響控溫效果。小心有電！第15頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三1、測量樣品及散熱銅盤的尺寸；五、實驗內(nèi)容 2、設(shè)置溫度參數(shù)，安裝儀器，置放溫度傳感器；可以通過右邊的三個按鍵設(shè)置加熱盤溫度加熱盤溫度設(shè)定的溫度（一）基本實驗內(nèi)容和實驗操作程序第16頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三注意

9、測溫元件PT100的插法第17頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三3、打開加熱開關(guān)加熱，等待穩(wěn)定狀態(tài)到來；此過程需要耐心，等真正穩(wěn)定了才進行測量，對于所測溫度存在小幅波動的情況，可在一段時間測量多組數(shù)據(jù)進行平均。4、記錄達到穩(wěn)定時，樣品上下表面的溫度；第18頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三5、去掉樣品后，讓散熱銅盤在穩(wěn)定溫度 20的基礎(chǔ)上升溫若干度，然后讓其在空氣中自然冷卻，記錄其溫度隨時間降低的數(shù)據(jù)（每30秒記錄一次）。6、整理儀器。第19頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（二）對實驗數(shù)據(jù)處理的要求1在散熱盤溫度隨時間變化的數(shù)

10、據(jù)中選擇20附近10組數(shù)據(jù)，用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)，計算散熱盤冷卻速率 ，進而 利用（4）式計算待測樣品導(dǎo)熱系數(shù)。 2計算不確定度，并給出完整的結(jié)果表述。（三）擴展內(nèi)容根據(jù)對誤差來源的分析，提出對本實驗改進的方案。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三2、劉淑琴，用穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱儀測定聚氨酯硬泡導(dǎo)熱系數(shù)，化學(xué)推進劑與高分子材料，1990年第4期，4143頁。六、設(shè)計案例1、彭擔(dān)任，穩(wěn)態(tài)雙平板法測定煤和巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，江蘇煤炭，1993年第3期，2226頁。第21頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三七、最新進展（一）微細尺度傳熱學(xué)隨著科技的發(fā)展，人們對熱傳導(dǎo)

11、的研究擴展到微細尺度（例如在對超大規(guī)模集成電路的熱設(shè)計和熱控制、航天器內(nèi)生命保障系統(tǒng)的傳熱過程、生命過程中的熱現(xiàn)象等的研究中），其研究對象的特征尺度與載熱體（分子、電子、聲子、光子）等的平均自由程處于同一量級甚至更低，導(dǎo)熱的Fourier定律、流動的N-S方程已不在適用，微結(jié)構(gòu)表面的輻射性質(zhì)也出現(xiàn)奇特的變化，已經(jīng)不能有效地用傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)理論及傳統(tǒng)的實驗方法加以解決，導(dǎo)致了熱現(xiàn)象由宏觀研究到微觀研究的歷史性轉(zhuǎn)變，促使微尺度傳熱學(xué)這一學(xué)科的出現(xiàn)和形成。微尺度傳熱學(xué)致力于尺度微形化極限情況的傳熱學(xué)規(guī)律研究：一個是空間尺度極限，其研究的幾何尺度可以到微米或微毫米級；再一個是時間尺度極限，即在微妙以至

12、微毫秒內(nèi)瞬時傳熱規(guī)律的研究。第22頁，共24頁，2022年，5月20日，2點27分，星期三（二）現(xiàn)代電子器件冷卻方法隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的微型化已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減小(例如，微處理器的特征尺寸在1990年到2000年內(nèi)從0.35減小到0.18)，芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。芯片熱流密度的不斷升高則對電子器件熱可靠性設(shè)計提出了更高的要求。能夠解決電子器件過熱問題的熱設(shè)計早已引起國內(nèi)外研究單位的高度重視，并且得到了很大的發(fā)展。經(jīng)過近年來的研究，已研究出一些比較成熟的冷卻方式，如自然冷卻技術(shù)、強迫空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、相變冷卻技術(shù)、其他冷卻技術(shù)(如熱管