10講義(導(dǎo)熱系數(shù))

注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》講義一：用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、感知熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過(guò)程；2、學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；3、學(xué)習(xí)利用物體的散熱速率測(cè)量傳熱速率?！緦?shí)驗(yàn)儀器及裝置】FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀、游標(biāo)卡尺及電子天平等【實(shí)驗(yàn)原理】1、傅立葉熱傳導(dǎo)方程圖（一）hB9192傅立葉熱傳導(dǎo)方程正確的反映了材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律。該方程式指出：在物體內(nèi)部，垂直于熱傳導(dǎo)方向彼此相距h,溫度分別是9和eco>圖（一）hB9192B1212兩個(gè)平行平面之間，當(dāng)平面的面積為S時(shí)，在5t時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積S的熱量5Q滿足關(guān)系：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"5Q 9—9 9—9 ,=XS—12= 2兀d2 （1）5t h 4h BBB其曇為單位時(shí)間傳過(guò)的熱量（又稱熱流量），與九為導(dǎo)熱系數(shù)（又稱熱5t導(dǎo)率）、傳熱面積S=比、距離h以及溫差9-9有關(guān)。而九的物理意義為：4 B 1 2相距單位長(zhǎng)度的兩個(gè)平面間的溫度相差一個(gè)單位時(shí)，每秒通過(guò)單位面積的熱量，單位為W/m/oC。不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)一般很小，例如，礦渣棉為0.058，石棉板為0.12，松木為0.15?0.35，混凝土板為0.87，紅磚為0.19，橡膠為0.22等。良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)通常比較大，約為不良導(dǎo)體的102?103倍，如銅為4.0X102。以上各量單位是W/m/oC。2、穩(wěn)態(tài)溫度和熱流量的測(cè)量Q9 C.加熱銅盤(pán)9Q9 C.加熱銅盤(pán)92 P.散熱銅盤(pán)圖（二）如圖（二）所示，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，樣品上下表面的溫度9和9不變，這時(shí)可以認(rèn)為加熱盤(pán)C12通過(guò)樣品傳遞的熱流量與散熱盤(pán)P向周圍環(huán)境散熱

注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》速率相等。因此可以通過(guò)散熱盤(pán)P在穩(wěn)態(tài)溫度9時(shí)的散熱速率來(lái)求出通過(guò)樣品2傳遞的熱流量沒(méi)。2）熱流量的測(cè)量當(dāng)測(cè)得穩(wěn)態(tài)時(shí)的樣品上下表面溫度9和9后，將樣品B抽去，讓加熱盤(pán)C12與散熱盤(pán)P接觸，使散熱盤(pán)的溫度上升高到其穩(wěn)態(tài)9時(shí)的5°C以上，再移開(kāi)加熱2盤(pán)，讓散熱盤(pán)在風(fēng)扇作用下冷卻，記錄散熱盤(pán)溫度9隨時(shí)間t的下降情況，便可求出散熱盤(pán)在其穩(wěn)態(tài)92處的冷卻速率蒞9=9，則散熱盤(pán)P在92時(shí)的散熱速率2為：A9me為：A9me At9=922）其中m為散熱盤(pán)P的質(zhì)量，c為其比熱容。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中，P盤(pán)的上表面并未暴露在空氣中，而物體的冷卻速率與它的散熱表面積成正比，為此，穩(wěn)態(tài)時(shí)銅盤(pán)P的散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作面積的修正:'兀R2+2兀Rh' '兀R2+2兀Rh' P PP9=912兀R2+2兀Rh丿2'P PP7其中R為散熱盤(pán)P的半徑，h為其厚度。Pp由（1）式和（3）式可得:5Q A9=me—St At、9-9九 24hB/ A9兀d2=me 小B At9'兀R2+2兀Rh P PP=9(2兀R2+2兀Rh2 P PPA9九=me—小At9(R+2h——P P-=9I2R+2h2PP4h

B—(9-9)nd212B（3）4）5）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】1、測(cè)量散熱盤(pán)的質(zhì)量1、測(cè)量散熱盤(pán)的質(zhì)量m、半徑R、厚度h，PP樣品盤(pán)的直徑dB、厚度hB。2、組裝儀器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)1）松開(kāi)固定螺絲，將橡皮樣品放在加熱盤(pán)和散熱盤(pán)之間，橡皮樣品盤(pán)要求與加熱盤(pán)、散熱盤(pán)完全對(duì)準(zhǔn)；調(diào)節(jié)底部的三個(gè)微調(diào)螺絲，使加熱盤(pán)、樣品盤(pán)、散熱盤(pán)接觸良好，但注意不宜過(guò)緊或過(guò)松；（2）將2根溫度傳感器的連接線一端與機(jī)殼連接，另一端插入加熱盤(pán)和散熱盤(pán)小孔，要求傳感器探頭完全插入小孔中，以確保溫度傳感器與加熱盤(pán)和散熱盤(pán)接

注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》觸良好。（注意：加熱盤(pán)和散熱盤(pán)兩個(gè)傳感器要一一對(duì)應(yīng)，不可互換）（3） 開(kāi)啟導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀電源，左邊表頭首先顯示FDHC,然后顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)轉(zhuǎn)換至B==.=,按實(shí)驗(yàn)儀上升溫鍵左邊表顯示由B00.0可上升到B80.0攝氏度。一般設(shè)定75?80°C較為適宜。設(shè)置完成后按“確定”鍵，加熱指示燈閃亮，加熱盤(pán)即開(kāi)始加熱。此時(shí)左邊顯示加熱盤(pán)溫度，右邊顯示散熱盤(pán)的溫度。（4） 加熱盤(pán)的溫度上升到設(shè)定溫度值時(shí)，開(kāi)始記錄散熱盤(pán)的溫度，并每隔3分鐘記錄一次。若連續(xù)10分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)散熱盤(pán)的溫度值基本不變，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。記錄加熱盤(pán)穩(wěn)態(tài)溫度6和散熱盤(pán)穩(wěn)態(tài)溫度9。12（5） 按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個(gè)螺栓使加熱盤(pán)和散熱盤(pán)接觸良好。再設(shè)定溫度到80C，直接給散熱盤(pán)加熱，使散熱盤(pán)溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度6值5°C左右。移去加熱盤(pán)，讓散熱盤(pán)在風(fēng)扇作用下冷卻，并每隔20秒記錄2一次散熱盤(pán)的溫度示值6，直至低于其穩(wěn)態(tài)溫度以下的5組數(shù)據(jù)為止。作出冷卻曲線，由鄰近62值的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算冷卻速率孚6=62A67）根據(jù)測(cè)量得到的穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度值6和6，以及在溫度6時(shí)的冷卻速率A6At6=6，由公式（5），計(jì)算不良導(dǎo)體樣品的導(dǎo)熱系數(shù)-2實(shí)驗(yàn)步驟】（注：寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告時(shí)留有適當(dāng)?shù)目瞻?，?shí)驗(yàn)后記錄主要的操作過(guò)程。）數(shù)據(jù)記錄與處理】表一散熱盤(pán)P：質(zhì)量m= （Kg）；（散熱盤(pán)比熱容（紫銅）：c=385J/kg/0C）次數(shù)123456直徑D(cm)P厚度h(cm) P 半徑R= (cm)；厚h= (cm)P P表二橡皮盤(pán)B：次數(shù)123456直徑d(cm)B厚度h(cm) B 直徑d= (cm)；厚h= (cm)B B表三測(cè)量穩(wěn)態(tài)溫度（加熱盤(pán)溫度設(shè)定6= C）時(shí)間（min）036 1 1912151821溫度6(°C)

注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤(pán)溫度值92=——弋表四散熱盤(pán)自然冷卻時(shí)溫度記錄時(shí)間（s）020406080100120140160溫度9(C)時(shí)間（s）180200220240260280300320340溫度9(C)散熱盤(pán)冷卻速率二n介二 = °C/S（保留三位有效數(shù)字）At9=92要求寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程，并在坐標(biāo)紙上畫(huà)出散熱盤(pán)冷卻曲線！修正系數(shù)R+2h修正系數(shù)P 1=2R+2hPP導(dǎo)熱系數(shù)九=me導(dǎo)熱系數(shù)九=meA9At9(R+2h——P P-=9I2R+2h2PP4hB—(9-9)nd212B= W/m/0C（三位有效數(shù)字）要求代入數(shù)據(jù)寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程，并計(jì)算出最終結(jié)果！【思考題】1、 用穩(wěn)態(tài)法是否可以測(cè)量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)?如可以，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品有什么要求?實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)不良導(dǎo)體有什么區(qū)別？2、 散熱盤(pán)下方的軸流式風(fēng)扇器什么作用？如果它不工作時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁M(jìn)行？3、 本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因來(lái)那些方面？可以采取哪些措施使之減小或消除？【注意事項(xiàng)】1、 為了準(zhǔn)確測(cè)定加熱盤(pán)和散熱盤(pán)的溫度，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該將兩個(gè)傳感器探頭插入到小孔底部；另外，加熱橡皮樣品的時(shí)候，為了達(dá)到穩(wěn)定的傳熱，調(diào)節(jié)底部的三個(gè)微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤(pán)、散熱盤(pán)緊密接觸，注意不要中間有空隙；也不要將螺絲旋太緊，以影響樣品的厚度。2、 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀銅盤(pán)下方的風(fēng)扇做強(qiáng)迫對(duì)流換熱用，減小樣品側(cè)面與底面的放熱比，增加樣品內(nèi)部的溫度梯度，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)扇一定要打開(kāi)。講義二：用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、感知熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過(guò)程；2、學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；3、學(xué)習(xí)利用物體的散熱速率測(cè)量傳熱速率；4、學(xué)習(xí)用溫差電偶測(cè)量溫度的原理和方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器和用具】導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀（FD—TC—II）、橡皮圓盤(pán)（待測(cè)樣品）、溫差電偶（2對(duì)）、保溫杯、數(shù)字式電壓表（FPZ—II）、Q連接線、電子秒表、游標(biāo)卡尺、電子天9平、冰塊?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、傅立葉熱傳導(dǎo)方程hB圖（一）傅立葉熱傳導(dǎo)方程正確的反映了材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律。該方程式指出：在物體內(nèi)部，垂直于熱傳導(dǎo)方向彼此相距h，溫度分別是9和0（9>9）的hB圖（一）B1212兩個(gè)平行平面之間，當(dāng)平面的面積為S時(shí)，在5t時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積S的熱量5Q滿足關(guān)系：TOC\o"1-5"\h\z5Q 0-0 0-0=kS—12= 2兀d2 （1）5t h 4h BBB其g為單位時(shí)間傳過(guò)的熱量（又稱熱流量），與九為導(dǎo)熱系數(shù)（又稱熱導(dǎo)率）、傳熱面積S=比、距離h以及溫差0-0有關(guān)。而九的物理意義為:4 B 1 2相距單位長(zhǎng)度的兩個(gè)平面間的溫度相差一個(gè)單位時(shí)，每秒通過(guò)單位面積的熱量單位為W/m/oC。不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)一般很小，例如，礦渣棉為0.058，石棉板為0.12，松木為0.15?0.35，混凝土板為0.87，紅磚為0.19，橡膠為0.22等。良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)通常比較大，約為不良導(dǎo)體的102?103倍，如銅為4.0X102。以上各量單位是W/m/oC。2、穩(wěn)態(tài)溫度和熱流量的測(cè)量（1）穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)量圖（二）如圖（二）所示，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，樣品上下表面的溫度9和9不變,12這時(shí)可以認(rèn)為加熱盤(pán)C通過(guò)樣品傳遞的熱流量與散熱盤(pán)P向周圍環(huán)境散熱速率相等。因此可以通過(guò)散熱盤(pán)P在穩(wěn)態(tài)溫度9時(shí)的散熱速率來(lái)求出通過(guò)樣品傳遞2的熱流量器。01（2）熱流量的測(cè)量當(dāng)測(cè)得穩(wěn)態(tài)時(shí)的樣品上下表面溫度9和9后，將樣品B抽去，讓加熱盤(pán)C12與散熱盤(pán)P接觸，使散熱盤(pán)的溫度上升高到其穩(wěn)態(tài)9時(shí)的5°C以上，再移開(kāi)加熱2盤(pán)，讓散熱盤(pán)在風(fēng)扇作用下冷卻，記錄散熱盤(pán)溫度9隨時(shí)間t的下降情況，便可求出散熱盤(pán)在其穩(wěn)態(tài)9求出散熱盤(pán)在其穩(wěn)態(tài)92處的冷卻速率孚9=9，則散熱盤(pán)P在9時(shí)的散熱速率22為：mc為：mc竺2）At9=92其中m為散熱盤(pán)P的質(zhì)量，c為其比熱容。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中，P盤(pán)的上0Q A9=mc—0t ,'兀R2+2兀Rh' P PP.0Q A9=mc—0t ,'兀R2+2兀Rh' P PP.2兀R2+2兀Rh丿2 P PP其中R為散熱盤(pán)P的半徑，h為其厚度。Pp由（1）式和（3）式可得：At9=9、9-9 A9九 2兀d2=mc 4hB—BAt9=9'兀R2+2兀Rh' P PP.2兀R2+2兀Rh丿2 P PP3）4）、 A9九=mc 4hB 2BAt9=9I2R+2h丿（9-9）nd2'P P丿1 23、用溫差電偶將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量如圖（三）所示，把兩種不同的金屬絲彼此熔接，組成一個(gè)閉合回路。若兩接點(diǎn)保持在不同的溫度9和90下，則會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，回路中有電流。如果將回路斷開(kāi)（不在接點(diǎn)處），雖無(wú)電流，但在斷開(kāi)處有電動(dòng)勢(shì)。這種金屬導(dǎo)線組合體稱為溫差電偶或熱電偶。在溫度范5）90注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》圍變化不大時(shí)熱電偶產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)與兩接點(diǎn)間的溫度差成正比，即：（9-9）09為冷端溫度，9為熱端溫度，?叫溫差電系數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，使用兩對(duì)相0同的銅一康銅熱電偶，a相同，它們的冷端均放在浸入冰水混合物的細(xì)玻璃管中，9也相同。當(dāng)兩個(gè)熱端分別接觸加熱盤(pán)和散熱盤(pán)時(shí)，可得樣品上下表面的溫度分08別為：9=—i+9，1a089 +9，所以2a09-9=81-82或A9=A-,1 2a a人8可以寫(xiě)為九人8可以寫(xiě)為九二mc-At8=82(R+2h)——P —.2R+2h)PP4h絲 （6）（8-8悶212B6）式就是本實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的公式。8和8分別為加熱至穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)熱電偶12這樣，式（5）為散熱盤(pán)在8=8時(shí)的2為散熱盤(pán)在8=8時(shí)的22【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】1、 測(cè)量散熱盤(pán)的質(zhì)量m、半徑R、厚度h,樣品盤(pán)的直徑d、厚度h。P p B B2、 組裝儀器①、如圖四所示，將待測(cè)的橡皮樣品放在加熱盤(pán)和散熱盤(pán)之間，固定大立柱上的螺絲，調(diào)節(jié)支撐散熱盤(pán)的三個(gè)微調(diào)螺絲，使加熱盤(pán)、樣品、散熱盤(pán)三者接觸良好并正對(duì)。②、將兩對(duì)熱電偶的冷端分別插入裝有冰水混合物的保溫杯內(nèi)的兩個(gè)細(xì)玻璃管中（插到底），兩個(gè)熱端分別插入加熱盤(pán)和散熱盤(pán)側(cè)面的小孔內(nèi)（插到底），再將兩對(duì)電熱偶輸出端的紅、黑插頭分別插到測(cè)定O暫測(cè)1表□OO測(cè)2導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)良好并正對(duì)。②、將兩對(duì)熱電偶的冷端分別插入裝有冰水混合物的保溫杯內(nèi)的兩個(gè)細(xì)玻璃管中（插到底），兩個(gè)熱端分別插入加熱盤(pán)和散熱盤(pán)側(cè)面的小孔內(nèi)（插到底），再將兩對(duì)電熱偶輸出端的紅、黑插頭分別插到測(cè)定O暫測(cè)1表□OO測(cè)2導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)1定儀 110V冰水混合物儀底座上“測(cè)1”和“測(cè)2”兩個(gè)相應(yīng)的插圖四孔內(nèi)。③、將Q線的紅、黑插頭插入位于“測(cè)1”與“測(cè)2”之間的兩個(gè)插孔內(nèi),9另一端連入數(shù)字電壓表。

④、將測(cè)定儀的切換開(kāi)關(guān)置于中間位置，加熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉，插上測(cè)定儀及數(shù)字電壓表的電源插頭。3、 將系統(tǒng)加熱至穩(wěn)態(tài)、打開(kāi)數(shù)字電壓表的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使電壓表示數(shù)為“O.OOmV”、將測(cè)定儀的加熱開(kāi)關(guān)撥至220V檔，給加熱盤(pán)加熱。切換開(kāi)關(guān)撥至“測(cè)1”端，電壓表上顯示8的值。加熱1—2分鐘后打開(kāi)風(fēng)扇。風(fēng)扇一經(jīng)打開(kāi)后就1不要關(guān)閉，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。約幾分鐘后，8升高到3.80mV左右時(shí)，將加熱開(kāi)關(guān)1下?lián)苤?10V檔繼續(xù)加熱。開(kāi)始測(cè)量8、8的穩(wěn)態(tài)值。此時(shí)，用電子秒表計(jì)時(shí)，12每隔3分鐘記錄一次8、8的值，從不間斷。如果發(fā)現(xiàn)連續(xù)10分鐘內(nèi)（即連續(xù)12三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）8、8基本不變，則可以認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在這些實(shí)驗(yàn)數(shù)12據(jù)中標(biāo)定出一組合適的值作為穩(wěn)態(tài)溫度8、8。124、 測(cè)量散熱盤(pán)冷卻過(guò)程中溫差電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化，并計(jì)算其冷卻速率。①、關(guān)掉加熱開(kāi)關(guān)，抽走樣品，將兩盤(pán)直接接觸并正對(duì)。再用220V檔直接給散熱盤(pán)加熱，切換開(kāi)關(guān)撥至“測(cè)2”，電壓表上顯示8的值。當(dāng)8升至高于其22穩(wěn)態(tài)值0.5mV左右時(shí)關(guān)閉加熱開(kāi)關(guān)停止加熱，上移且側(cè)移加熱筒，讓散熱盤(pán)在風(fēng)扇吹拂下自然冷卻。與此同時(shí)，開(kāi)始每隔20秒記錄一次8的值，直至低于其2穩(wěn)態(tài)溫度以下的5組數(shù)據(jù)為止。②、用鄰域法計(jì)算散熱盤(pán)的冷卻速率A8②、用鄰域法計(jì)算散熱盤(pán)的冷卻速率A8At8=82。例如假定8的穩(wěn)態(tài)值是21.91mV，測(cè)得第180s時(shí)8=1.98mV，第200s時(shí)8=1.95mV，第220s時(shí)28=1.87mV，則領(lǐng)域可取1.95mV—1.87mV之間，冷卻速率A8 1.95—1.87 （ 、—— = =4.00x10—3（mV/s）。At8=8 220一20025、按（6）式計(jì)算待測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)步驟】（注：寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告時(shí)留有適當(dāng)?shù)目瞻祝瑢?shí)驗(yàn)后記錄主要的操作過(guò)程。）注意：座位號(hào)1—12預(yù)習(xí)《講義一》，座位號(hào)13—24預(yù)習(xí)《講義二》AtAt“82表一散熱盤(pán)P：質(zhì)量m= （Kg）；散熱盤(pán)比熱容（紫銅）：c二385J/kg/0C次數(shù)123456直徑d(cm)P厚度h(cm) P 半徑R二 (cm)；厚h二 (cm)P P表二橡皮盤(pán)B：次數(shù)123456直徑d(cm)B厚度h(cm) B 直徑d= (cm)；厚h= (cm)B B時(shí)間（min）0369121518218(mV)18(mV)2表三穩(wěn)態(tài)時(shí)8、8的值I 2穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度值