这样,由于样品侧面积比平板面积小得多,由侧面散去的热量可以忽略不计,可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导,即只在此方向上有温度梯度。
由于铜是热的良导体,在达到平衡时,可以认为同一铜板各处的温度相同,样品内同一平行平面上各处的温度也相同。
这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温度
Ti、T2,就可以确定样品内的温度梯度度T1辽2当然这需要铜板与样品表面的
h
紧密接触,无缝隙,否则中间的空气层将产生热阻,使得温度梯度测量不准确。
为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性,把样品及两场铜板都加工成等大的圆形。
2、关于传热速率dQ-
dt
单位时间内通过一截面积的热量瞠是一个无法直接测定的量,我们设法
dt
将这个量转化为较为容易测量的量,为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜块,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。
当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡状态,称之为稳态。
此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。
这样,只要测量低温侧铜板在稳态温度T2下散热的速率,也就
间接测量出了样品内的传热速率。
但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们已经知道,铜板的散热速率与共冷却速率(温率变化率dT)有关,其表达式为
dt
dQ|T2=-medT|T2(S1-2)
dtidt
式中的n为铜板的质量,C为铜板的比热容,负号表示热量向低温度方向传递。
因为质量容易直接测量,C为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。
测量铜板的冷却速率可以这样测量:
在达到稳态后,移去样品,用加热不镑钢板直接对下金属铜板加热,使其的温率高于稳定T2(大约高出10C左右)再让其在环境中自然冷却,直到温度低于T2,测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出T---t曲线,曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。
应该注意的是,这样得出的匹是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速
dt
率,其散热面积为2n可+2冗Rhp(其中R和hp分别是下铜板的半径和厚度)然而在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为nR6)是样品覆盖的,由于物体的散热速率与它们的面积成正比,所以稳态时,铜板散热速率的表达式应修正为:
2
dQdtnR)+2nRhp
—=-me—•(S1-3)
dtdt2nR2+2nR)hp
根据前面的分析,这个量就是样品的传热速率。
将上式代入热传导定律表达式,并考虑到ds=n氏可以得到导热系数:
2hp+R1hdT
入=-me•••|T=T2(S1-4)
2hp+2RnRT1-T2dt
式中的R为样品的半径、h为样品的高度、m为下铜板的质量、C为铜块的比热
容、R,和hp分别是下铜板的半径和厚度。
右式中的各项均为常量或直接易测量。
[实验步骤]
1、用自定量具测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量,多次
测量、然后取平均值。
其中铜板的比热容C=0.385KJ/(K.Kg)
2、先放置好待测样品及下铜板(散热盘),调节下圆盘托架上的三个微调
螺丝,使待测样品与上下铜板接触良好。
热电偶插入铜盘上的小孔时,要抹上些硅脂,并插到洞孔底部,使热电偶测温端与铜盘接触良好。
3、温度表控制升温步骤:
(一)设置程序:
按键一下即放开,仪表就进入设置程序状态。
仪表首先显示的是当前运行段起始给定值,可按“・”、“J”和“T”
键修改数据。
按“)”键则显示下一要设置的程序值,每段程序按“时间-给定值-时问-给定值”的顺序依次排列。
按“・”键并保持不放2秒以上,返回设置上一数据,先按键再接着按“)”键可退出设置程序状态。
在程序运行时也可修改程序。
在运行中,在恒温段如果改变给定值,则要同时修改当前段给定值和下一段给定值,如果要增加或缩短保温时间,则可增加或减少当前段的段时间。
在升降温段如果有改变升降温斜率,可根据需要改变段时间,当前段给定温度和下一段的给定温度。
例如:
。
01=开始实测温度,T01=(实验温度-开始实测温度)/升温速率,
C02=K验温度,丁02=恒温时间(可设8000),。
03=实验温度,T03=-121。
(二)运行:
如果程序处于停止状态(下显示器交替显示“stop”),按
键并保持2秒钟,仪表下显示器将显示“run”的符号,则仪表开始运行程序。
(三)停止程序运行:
如果程序处于运行状态,按“T”键并保持2秒钟,
仪表下显示器将显示“stop”的符号,此时仪表进入停止状态。
(参照智能温度控制器使用说明书)。
(四)合上“加热开关”,对上不锈钢板进行加热。
4、上不锈钢板加热到设定温度时,
(1)观察上不锈钢板的温度。
当上不锈
钢板的温度保持不变时(可通过加热板温度显示来观测),记录下此时上不锈钢板的温度(Ti),在不断地给高温侧不锈钢板(上不锈钢板)加热,热量通过样品不断地传到低温侧铜块(下铜块),经过一定的时间后,当下铜板的温度基本不变时,记录下此时下铜板的散热板温度值
(T2)。
此时则可认为已达到了稳态。
(大约在五分钟内下铜板的温度保持不变)
5、移去样品,继续对下铜板加热,当下铜盘温度比T2高出10C左右时(高温时要多些),移试样架,让下铜盘所有表面均暴露于空气中,使下铜板自然冷却。
每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录,直至温度下降到T2以下一定值。
作铜板的T-t冷却速率曲线。
(选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率)。
6、根据(S1-4)计算样品的导热系数入,或数据输入计算机计算。
7、设置上不锈钢板不同的加热温度,在设定加热温度时,须高出室温30C。
设定不同的加热温度,测量出不同温度下样品的导热系数入。
[实验注意事项]
1、稳态法测量时,要使温度稳定约要40分钟左右,同时每隔30秒记下样品上、下圆盘A和P的温度Ti和T2的数值,待T2的数值在2分钟内不变即可认为已达到稳定状态,记下此时的Ti和T2值。
2、测金属(或陶瓷)的导热系数时,Ti、T2值为稳态时金属样品上下两个面的温度,此时散热盘P的温度为T3。
因此测量P盘的冷却速率应为:
△T△Thi
|T=T3.•.入=me|T=T3••
△t△tTi-T2nR2
测T3值时要在Ti、T2达到稳定时,将上面测Ti和T2的热电偶移下来进行测量。
3、圆筒发热体盘侧面和散热盘P侧面,都有供安插热电偶的小孔,热电偶插入小孔时,要抹上些硅脂,并插到洞孔底部,保证接触良好,。
4、样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸,可用游标尺多次测量取平均值。
散热盘的质量m约0.8Kg,可用药物天平称量。
附录一:
部分材料的密度和导热数
材料名称
(20°C)
导热系数W/(m・K)
导热系数
密度
温度(C)
W/(m・K)
(Kg/m3)
-100
0
100
200
纯铝
236
2700
243
236
240
238
铝合金
107
2610
86
102
123
148
纯铜
398
8930
421
401
393
389
金
315
19300
331
318
313
310
硬铝
146
2800
橡皮
0.13-0.35
1100
电木
0.23
1270
木丝纤维板
0.048
245
软木板
0.044-0.079
附录二:
导热系数单位换算
千卡/米*时*C
卡/厘米*秒*C
瓦/米*C
焦耳/厘米*秒*C
英热单位/英尺*时*F
[kcal/m*h*C]
[cal/cm*s*C]
[w/m*k]
[j/cm*s*C]
[Btu/ft*h*F]
1
2.78X10-3
1.16
1.16X10-2
0.672
360
1
418.7
4.187
242
0.8598
2.39X10-3
1
10-2
0.578
85.98
0.239
100
1
57.8
1.49
4.13X10-3
1.73
1.73X10-2
1
导热系数测试仪制样附加说明
材料的范畴很广,有金属和非金属、均质的和非均质的、单体的和复合材
料、液态、固态、粉料等,导热系数范围非常宽。
通过制取不同形状的试样,利用导热系数测试平台,可检测大部分材料。
高导热材料的检测方法:
平板稳态法导热系数测试仪测量材料导热系数时,主要是测量冷热面温差和热流两个参数量,仪器测量这两参数量时,都有测量量程和精度的限制。
通过制样可使材料的冷热面温差和热流都落在仪器的量程和精度范围内。
在测量高导热材料时,要减小热流传递和提高冷热面温差。
减小热流可通过减小试样的传热面积来获得,提高冷热面温差可通过增加试样厚度来获得。
试样与冷热板的接触热阻相对高导热试样热阻是非常大的,测量时必须消除接触热阻。
方法是在试样测量面两端打2个温度测量孔,把测量冷热板温度的热电偶插在试样的温度测量孔内,这样,测量的冷热温差值就不包含接触热阻形成的温差了,试样厚度数据要以试样2个温度测量孔的间距来计算。
如果热面温度比环境温度高很多,就要考虑试样表面散热,可在试样表面包上保温层。
测量铝合金导热系数制样如下图所示:
哥导热材糾埴测方法百图
粉状或胶状材料的检测方法:
测量胶状物时,要做一个围框,装样时,装满并稍高于围框边
粉状料的紧实度与导热系数有很大的关系,要考虑测量什么状态下的导热系数,测量自然状态下的导热系数,要做一个围框,装样时,装满并稍高于围框边。
有些粉状料通过压机制样,可测量不同紧实度下导热系数。
粉状料还可调粘结剂进行测量。
TT
「■:
11:
电-』■-■■
p■-1.cy'J.-
粉状或胶状材料冷训方法简出
薄试样的检测方法:
非常薄的试样可采用叠层的办法进行测量。
以上是特殊试样的取样方法,一般取样是散热板面积和一定厚度,导热系数高的取厚一点,导热系数低的取薄点。
总的规律是:
导热系数低的试样取薄、面积大、冷热温差大,导热系数高的试样取厚、面积小、冷热温差小