非穩(wěn)態(tài)法測(cè)材料的導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告

非穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）法測(cè)材料的導(dǎo)熱性能一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量絕熱材料（不良導(dǎo)體）的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱、掌握其測(cè)試原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)第二類邊界條件，無(wú)限大平板的導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)的。設(shè)平板厚度為2δ，初始溫度為t0，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱（見圖1）。求任何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t(x，)。導(dǎo)熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：t(x,)2t(x,)ax20時(shí),tt0x=0處，t0xx處，tqcx方程的解為：t(x,qca23x2(1)n12x2F0)]（1）)t0[6n12cos(n)exp(n式中：τ—時(shí)間(s)；λ—平板的導(dǎo)熱系數(shù)(w/m?℃)；2n—nn=1，2，3，；a—平板的導(dǎo)熱系數(shù)(m/s)；F0—a傅立葉準(zhǔn)則；t0—初始溫度(℃)；2qc—沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度(w/m2)；隨著時(shí)間τ的延長(zhǎng)，F(xiàn)0數(shù)變大，式（1）中級(jí)數(shù)和項(xiàng)愈小。當(dāng)F0>0.5時(shí)，級(jí)數(shù)和項(xiàng)變得很小，可以忽略，式（1）變成：qcax21（2）t(x,t)t0(222)6由此可見，當(dāng)F0>0.5后，平板各處溫度和時(shí)間成線性關(guān)系，溫度隨時(shí)間變化的速率是常數(shù)，并且到處相同。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。 在準(zhǔn)態(tài)時(shí)，平板中心面x=0處的溫度為：t(0,)t0qc(a21)6平板加熱面x=δ處為：qc(a1（3）t(,)t02)3此兩面的溫差為：1qctt(,)t(0,)2如已知qc和δ，再測(cè)出 t，就可以由式（3）求出導(dǎo)熱系數(shù)：qc

（4）t實(shí)際上，無(wú)限大平板是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)總是用有限尺寸的試件。一般可認(rèn)為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時(shí)，兩側(cè)散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計(jì)。試件兩端面中心處的溫度差就等于無(wú)限大平板兩端面的溫度差。根據(jù)勢(shì)平衡原理，在準(zhǔn)態(tài)時(shí)，有下列關(guān)系：dtqcF CFd式中：F為試件的橫截面(m2)；C為試件的比熱(J/kg ?℃)；ρ為試件的密度(kg/m3)，1200kg/m3；dt為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫升速率(℃/s)；d由上式可得比熱：qccdtddt實(shí)驗(yàn)時(shí)， 以試件中心處為準(zhǔn)。三、實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）按上述理論及物理模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，說(shuō)明如下： 1}試件試件尺寸為200mm×200mm×δ，共四塊，尺寸完全相同，δ=10mm。每塊試件上下面要平齊，表面要平整。2）加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20μm，加上保護(hù)箔的絕緣薄膜，總共只有70μm。其電阻值穩(wěn)定，在0-100℃范圍內(nèi)幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是200mm×200mm的正方形。兩個(gè)加熱器的電阻值應(yīng)盡量相同，相差應(yīng)在0.1%以內(nèi)。3）絕熱層用導(dǎo)熱系數(shù)比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過(guò)，使試件1、4與絕熱層的接觸面接近絕熱。這樣，可假定式（4）中的熱量qc等于加熱器發(fā)出熱量的0.5倍。4）熱電偶利用熱電偶測(cè)量試件2兩面的溫度及試件2、3接觸面中心處的溫升速率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將四個(gè)試件齊迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2，試件和加熱器要對(duì)齊，溫度傳感器的放置如圖2。四、實(shí)驗(yàn)步驟（見PC機(jī)界面說(shuō)明）1、用卡尺測(cè)量試件的尺寸：面積F和厚度δ。2、按圖2放好試件、加熱器和溫度傳感器，接通電源。3、接通電源，給加熱器通以恒定電流，（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電流不允許變化），同時(shí)啟動(dòng)秒表，每隔一分鐘記錄試件2兩側(cè)熱電勢(shì)（由熱電勢(shì)查溫度值），經(jīng)一段時(shí) 間后（隨所測(cè)材料而不同，一般在10-20 分鐘）系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。4、第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將加熱器開關(guān)K切斷，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才能繼續(xù)作下一次實(shí)驗(yàn)。但試件不能連續(xù)做實(shí)驗(yàn)，必須經(jīng)過(guò)四小時(shí)以上放置，使其冷卻至與室溫平衡后，才能再作下一次實(shí)驗(yàn)。圖1第二類邊界條件無(wú)限大平板5、實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，必須切斷電源，一切恢復(fù)原狀。導(dǎo)熱的物理模型五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理試件截面尺寸F：0.2×0.2[㎡]試件厚度δ：0.01[m]試件材料密度ρ=1200[㎏/m3]加熱功率P：[w]時(shí)間[分]01234561熱電勢(shì)2[mV]34時(shí)間[分]7891011121312熱電勢(shì)[mV]34計(jì)算：計(jì)算熱流密度qc[