導(dǎo)熱系數(shù)課件

導(dǎo)熱系數(shù)課件第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一2．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(cuò)的問題1．測定散熱盤冷卻速率時(shí)為什么要在穩(wěn)態(tài)溫度θ20附近選值？第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一（三）課后要思考的問題或擴(kuò)展問題。1．分析本實(shí)驗(yàn)中的主要誤差來源？2．個(gè)別儀器的溫度計(jì)存在的測量誤差（并且假定我們無法對溫度計(jì)進(jìn)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?。?頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一二、背景介紹（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(jìn)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，2023年，2月20日，星期一導(dǎo)熱系數(shù)是描述材料性能的一個(gè)重要參數(shù)，在鍋爐制造、房屋設(shè)計(jì)、冰箱生產(chǎn)等工程實(shí)踐中都要涉及這個(gè)參數(shù)，而且通過研究物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，還可以進(jìn)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(shí)際意義。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jìn)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(shí)驗(yàn)條件的影響，還與待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)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，2023年，2月20日，星期一（二）實(shí)驗(yàn)?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，2023年，2月20日，星期一（三）科學(xué)家簡介傅里葉（JeanBaptisteJosephFourier，1768～1830）,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(gè)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(yuǎn)征埃及時(shí)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長官。由于對熱傳導(dǎo)理論的貢獻(xiàn)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(xiàn)是在研究熱的傳播時(shí)創(chuàng)立了一套數(shù)學(xué)理論。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一圖一導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖當(dāng)如圖一所示的系統(tǒng)達(dá)成熱平衡時(shí)，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(shí)驗(yàn)原理第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一（1（1）式（1）中θ10、θ20是傳熱穩(wěn)定時(shí)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24頁，2023年，2月20日，星期一而根據(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)λ，但是，當(dāng)散熱黃銅處在穩(wěn)定系統(tǒng)之中時(shí)，其冷卻率不方便測第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一量，必須將它獨(dú)立放在空氣中才可以測量，這時(shí)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(jìn)一步得出導(dǎo)熱系數(shù)λ的表示式為：第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一（4）本實(shí)驗(yàn)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，2023年，2月20日，星期一四、實(shí)驗(yàn)儀器1．THQDC-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(shí)驗(yàn)儀器第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一（二）注意事項(xiàng)。1．加熱盤溫度設(shè)定值不得高于110℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)隨時(shí)觀察加熱盤溫度變化。2．實(shí)驗(yàn)裝置溫度較高，實(shí)驗(yàn)過程中不要觸摸高溫盤，以防燙傷。3．PID智能溫度調(diào)節(jié)器出廠前各參數(shù)均設(shè)置好，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以修改加熱盤溫度設(shè)定值SV，修改其它參數(shù)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，否則影響控溫效果。4．實(shí)驗(yàn)過程中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，2023年，2月20日，星期一6．測定儀面板上有0～220V加熱電源，連接和分開加熱電源線時(shí)均應(yīng)先關(guān)閉電源總開關(guān)，以防觸電。5．實(shí)驗(yàn)應(yīng)在室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定及無風(fēng)的條件下進(jìn)行，否則將影響控溫效果。小心有電！第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1、測量樣品及散熱銅盤的尺寸；五、實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作程序第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一注意測溫元件PT100的插法第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一3、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(jìn)行測量，對于所測溫度存在小幅波動的情況，可在一段時(shí)間測量多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。4、記錄達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，樣品上下表面的溫度；第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一5、去掉樣品后，讓散熱銅盤在穩(wěn)定溫度θ20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(shí)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，2023年，2月20日，星期一（二）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的要求1．在散熱盤溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)中選擇θ20附近10組數(shù)據(jù)，用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算散熱盤冷卻速率，進(jìn)而利用（4）式計(jì)算待測樣品導(dǎo)熱系數(shù)λ。2．計(jì)算不確定度，并給出完整的結(jié)果表述。（三）擴(kuò)展內(nèi)容根據(jù)對誤差來源的分析，提出對本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方案。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一2、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(jìn)劑與高分子材料，1990年第4期，41～43頁。六、設(shè)計(jì)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，22～26頁。第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一七、最新進(jìn)展（一）微細(xì)尺度傳熱學(xué)隨著科技的發(fā)展，人們對熱傳導(dǎo)的研究擴(kuò)展到微細(xì)尺度（例如在對超大規(guī)模集成電路的熱設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)是時(shí)間尺度極限，即在微妙以至微毫秒內(nèi)瞬時(shí)傳熱規(guī)律的研究。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一（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0.35μｍ減小到0.18μｍ)，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(jì)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(jì)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(qiáng)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，冷板等)。（更多內(nèi)容請參看/crxzx