導(dǎo)熱系數(shù)的測定

本文格式為Word版，下載可任意編輯——導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗(yàn)二導(dǎo)熱系數(shù)的測定

熱量傳輸有多種方式，熱傳導(dǎo)是熱量傳輸?shù)闹匾绞街?，也是熱交換現(xiàn)象三種基本形式（傳導(dǎo)、對流、輻射）中的一種。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一，它不僅是評價(jià)材料熱學(xué)特性的依據(jù)，也是材料在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)的一個(gè)依據(jù)。熔煉爐、傳熱管道、散熱器、加熱器，以及日常生活中水瓶、冰箱等都要考慮它們的導(dǎo)熱程度大小，所以對導(dǎo)熱系數(shù)的研究和測量就顯得很有必要。導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料稱為良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料稱為不良導(dǎo)體。一般來說，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。由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)試驗(yàn)和工程技術(shù)中對材料的導(dǎo)熱系數(shù)常用試驗(yàn)的方法測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。

本試驗(yàn)介紹一種比較簡單的利用穩(wěn)態(tài)法測材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)方法。穩(wěn)態(tài)法是通過熱源在樣品內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布后，用熱電偶測出其溫度，進(jìn)而求出物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的方法。

1、把握穩(wěn)態(tài)法測材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法

2、把握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測量的方法

YBF－2型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，杜瓦瓶，測試樣品（硬鋁、橡皮）、游標(biāo)卡尺等。

早在1882年，法國科學(xué)家丁·傅里葉就提出了熱傳導(dǎo)定律，目前各種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)上。

當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳向較低處，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)定律指出：假使熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Zo處取一個(gè)垂直截面積dS，以

dQdT表示在Z處的溫度梯度，以表示該處的傳熱速率（單位時(shí)間內(nèi)d?dt通過截面積dS的熱量），那么熱傳導(dǎo)定律可表示成：

dTdQ()dt???Z0ds?（1-1）

dz

式中的負(fù)號表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反），比例數(shù)λ即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的狀況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過截面單位面積的熱量。利用（1-1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題：一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率1、關(guān)于溫度梯度

dT并確定其數(shù)值；另一個(gè)是如何測量d?dQ。dtdTd?為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體——銅板之間，如圖1，使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小于樣品直徑（h《D），由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度一致，樣品內(nèi)同一平行平面上各處的溫度也一致。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度

T1?T2。當(dāng)然這需要h銅板與樣品表面緊湊接觸無縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測量不確鑿。

圖1傳熱示意圖

為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。

2、關(guān)于傳熱速率

dQdtdQ是一個(gè)無法直接測定的量，我們設(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)dt單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面積的熱量

化為較簡單測量的量。為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必需不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周邊環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)，此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們知道，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）

dT有關(guān)，其表達(dá)式為dtdQdtT2??mcdT（1-2）dtT2式中的m為銅板的質(zhì)量，C為銅板的比熱容，負(fù)號表示熱量向低溫方向傳遞。由于質(zhì)量簡單直接測量，C為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)銅板冷卻速率的測量。銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對下銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2（大約高出10℃左右），再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T－t曲線（見圖2），曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。

T（C）0T21T2T22t1t2ΔTK=Δtt（s）

圖2散熱盤的冷卻曲線圖

應(yīng)當(dāng)注意的是，這樣得出的

dT是銅板全部表面