导热系数测定仪产品说明书(

1、导 热 系 数 测 定 仪 说明书一、概述导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质对导热 系数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验具体测定。测量导热 系数的方法一般分为两类:一类是稳态法;一类是动态法。在稳态法中,先利用热 源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布,然后进行测量。在动态法中,待测样 品温度分布是随时间变化的。该仪器结构牢固、测控方便,已广 泛应用于大专院校普通物理热学实验。二、用途(1 测量不良导体的导热系数,本仪器附有橡皮样品供教学测试用。(2 学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。(3 学习温度传感器的应用方法。三、仪器组成与技术指标1

2、.仪器组成(如图 1所示(1 热源:电热管、加热铜板 ;(2 样品架:样品支架、样品板 ;(3 测温部分:单片电脑测温及控制仪。(4橡皮样品、导热硅脂(配件- 1 -A. 温控仪与测温仪(1温度计显示工作温度:0 -100(2恒温控制温度:室温-80o C图 1 FD-TC-B 导热系数测定仪装臵图 (3控制恒温显示分辨率:0.1B. 温度传感器 DS18B20的结构与技术特性(控温及测量用 :(1温度测量范围:-55 +125(2测温分辨率:0.0625(3引脚排列 (如图 2所示 : 图 2(4封装形式:TO-92详细应用软硬件请参阅相关资料C. 不良导体导热系数测量不确定度:%10- 2

3、 - 3 -四、安装步骤(1 取下固定螺丝,将样品放在加热盘与散热盘中间,然后固定;调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,不宜过紧或过松;(2 插好加热板的电源插头;再将 2根连接线的一端与机壳相连,另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘小孔中(注意:要一一对应,不可互换 ;(3 开启电源后,左边表头显示从 FDHC 当时温度 b = = =其含义是告知用户请设定控制温度。右边表头显示散热盘的测量温度。五、实验方法(1 设定加热器控制温度:按升温键左边表显示由 B00.0可上升到 B80.0摄氏度。一般设定 75-80C 较为适宜。 根据室温选择后, 再按确定键, 显示变为 A

4、XX.X 之 值,即表示加热盘此刻的温度值,加热指示灯闪亮,打开电扇开关,仪器开始 加热。(2 加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘的温度,可以每隔一分钟记录一次, 待在 10分钟内加热盘和散热盘的温度都基本保持不变, 可以认为已 经达到稳定状态了。(3 按复位键停止加热,取走样品,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度到 80C 加快加热 C 盘的温度上升 (按升温键和确定键 使散热盘在原 温度上升 20C 左右即可以了。(4 移去加热盘,让散热盘在风扇作用下冷却,每隔 10秒(或者稍长时间,如 20秒或者 30秒记录该盘的温度。作散热曲线,计算散热盘的冷却速率。 当传热

5、达到稳定状态时,样品上下表面的温度 1和 2不变,这时可以认为加热 盘 C 通过样品传递的热流量与散热盘 P 向周围环境的散热量相等。因此可以通过散 热盘 P 在稳定温度 2时的散热速率来求出热流量 tQ 。- 4 - 在达到稳态的过程中, P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与 它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘 P 的散热速率表达式应作面积修正:22(2(222P P P P P p h R R h R R t m t Q += (7其中 P R 为散热盘 P 的半径, P h 为其厚度。由(3式和(7式可得:22(2(222212P P P P P p B B h R R

6、 h R R t m R h +=-= (8所以样品的导热系数 为: 2211 ( 22( 2(2B B P P P p R h h R h R t mc -+= (9 六、注意事项(1 该测定仪用单片电脑控制,最高控制温度为 80C ,读数误差为 0.1C 。电加热时加热指示灯闪亮,随着与设定值的接近,闪亮变慢,超过设定温度 1C 即 自动关加热电源,低于设定温度自动开启。(2 加热盘和散热盘侧面两个小孔安装数字式温度传感器,不可插错。近电源开关的接插件为加热传感器 , 应插入加热盘上,另一个传感器插在散热盘上的小孔, 特别注意插小孔之前涂上少许导热硅脂或者硅油,使其接触良好。(3 使用前将

7、加热盘与散热盘及样品的表面擦干净,可以涂上少量硅油或者导热硅脂,以保证接触良好。在固定安装加热盘、散热盘和样品时三个调节螺丝不宜 过紧过松,用力要均匀 (手感一致 。(4 在实验过程中,需移开加热盘时,请先关闭加热电源,移开热圆筒时,手应握固定轴转动,以免烫伤手;实验结束后,切断总电源,保管好测量样品,不要 使样品两端面划伤,以至影响实验的精度。- 5 -稳态法测量不良导体的导热系数导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同 对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体 测定。测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中,先

8、利用 热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温 度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热 和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一 温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分 布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快 慢的影响,与导热系数的大小有关。本实验应用稳态法测量不良导体 (橡皮样品 的导热系数,学习用物体散热速率 求传导速率的实验方法。实验原理1898年 C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数, 这是一种稳态法,

9、实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与 一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只 沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品 内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为 1、 2,根据傅立叶传导方程,在 t 时 间内通过样品的热量 Q 满足下式:S h t Q B21-= (1 式中 为样品的导热系数, B h 为样品的厚度, S 为样品的平面面积,实验中样品为- 6 -圆盘状,设圆盘样品的直径为 B d , 则由(1式得: 2214B

10、 Bd h t Q -= (2 实验装臵如图 1所示, 固定于底座的三个支架上, 支撑着一个铜散热盘 P , 散热 盘 P 可以借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘 样品 B , 样品 B 上放臵一个圆盘状加热盘 C , 其面积也与样品 B 的面积相同, 加热盘 C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度 1和 2不变,这时可以认为加热 盘 C 通过样品传递的热流量与散热盘 P 向周围环境散热量相等。因此可以通过散热 盘 P 在稳定温度 2时的散热速率来求出热流量 tQ 。 实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度

11、 1和 2后,将样品 B 抽去,让加热 盘 C 与散热盘 P 接触, 当散热盘的温度上升到高于稳态时的 2值 C 20或者 C 20以 上后, 移开加热盘, 让散热盘在电扇作用下冷却, 记录散热盘温度 随时间 t 的下降 情况,求出散热盘在 2时的冷却速率 2=t ,则散热盘 P 在 2时的散热速率为: 2=t t Q (3其中 m 为散热盘 P 的质量, c 为其比热容。在达到稳态的过程中, P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与 它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘 P 的散热速率的表达式应作面积修正:22(2(222P P P P P p h R R h R R t m t

12、 Q += (4其中 P R 为散热盘 P 的半径, P h 为其厚度。由(2式和(4式可得:- 7 -22(2(4222212P P P P P p B B h R R h R R t m d h +=-= (5所以样品的导热系数 为: 2211 (4 22( 2(2B B P P P p d h h R h R t mc -+= (6 实验仪器导热系数测定仪装臵如图 1所示 , 它由电加热器、 铜加热盘 C , 橡皮样品圆盘 B , 铜散热盘 P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。 图 1 FD-TC-B 导热系数测定仪装臵图实验内容(1 取下固定螺丝, 将橡皮样品放在加热

13、盘与散热盘中间, 橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对准;要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调 螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,但注意不宜过紧或过松;(2 按照图 1所示,插好加热盘的电源插头;再将 2根连接线的一端与机壳相连,另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中,要求传感器完全插入小孔中,并 在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂,以确保传感器与加热盘和散热盘接触良- 8 -好。在安放加热盘和散热盘时,还应注意使放臵传感器的小孔上下对齐。 (注 意:加热盘和散热盘两个传感器要一一对应,不可互换。 ;(3 接上导热系数测定仪的电源,开启电源后,左边表头首先显示从 FDHC ,然

14、后显示当时温度,当转换至 b = = =,用户可以设定控制温度。设臵完成按“确 定”键,加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。(4 加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘的温度,可每隔一分钟记录一次, 待在 10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变, 可以 认为已经达到稳定状态了。(5 按复位键停止加热,取走样品,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度到 C 80, 加快散热盘的温度上升, 使散热盘温度上升到高于稳态时的 2值 C 20左右即可。(6 移去加热盘,让散热圆盘在风扇作用下冷却,每隔 10秒(或者 30秒记录一次散热盘的温度示值, 由临近 2值的

15、温度数据中计算冷却速率 2=t 。 也可以根据记录数据做冷却曲线,用镜尺法作曲线在 2点的切线,根据切线斜率计算 冷却速率。(7 根据测量得到的稳态时的温度值 1和 2, 以及在温度 2时的冷却速率, 由公式2211 (4 22( 2(2B B P P P p d h h R h R t mc -+=计算不良导体样品的导热系数。 注意事项1.为了准确测定加热盘和散热盘的温度, 实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂 或者硅油,以使传感器和加热盘、散热盘充分接触;另外,加热橡皮样品的时候, 为达到稳定的传热, 调节底部的三个微调螺丝, 使样品与加热盘、 散热盘紧密接触, 注意不要中间有空气隙;也不

16、要将螺丝旋太紧,以影响样品的厚度。2. 导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用, 减小样品侧面与底面的放热- 9 - 比,增加样品内部的温度梯度,从而减小实验误差,所以实验过程中,风扇一定要 打开。实验数据例 (仅供参考 样品:橡皮; 室温:C 20;散热盘比热容(紫铜 :C=385 /(K Kg J ; 散热盘质量:g m 42. 891=; 散热盘厚度 P h (多次测量取平均值 :表 1 散热盘厚度(不同位臵测量 所以散热盘 P 的厚度:P h =7.66mm ;散热盘半径 P R (多次测量取平均值 :表 2 散热盘直径(不同角度测量 所以散热盘 P 的半径:P R=65.00m

17、m ;橡皮样品厚度 B h (多次测量取平均值 :表 3 橡皮样品厚度(不同位臵测量 所以橡皮样品的厚度:B h =8.06mm ;橡皮样品直径 B d (多次测量取平均值 :表 4 橡皮样品直径(不同角度测量 所以橡皮样品的厚度:B d =129.02mm ;稳态时(10 分钟内温度基本保持不变，样品上表面的温度示值 q 1 = 80 . 2 o C ,样 品下表面温度示值 q 2 = 45 . 0 o C ； 每隔 10 秒记录一次散热盘冷却时的温度示值如表 5： 表5 q / C o 散热盘自然冷却时温度记录 47.0 43.8 46.5 43.4 46.0 43.0 45.5 42.6

18、 45.1 42.2 47.9 44.7 47.4 44.2 q / C o 作冷却曲线得到： 49 48 TEMPERATURE( 47 46 45 44 43 42 41 0 20 40 60 80 TIME(S 图 2 散热盘冷却曲线 100 120 140 160 取临近 q 2 温度的测量数据求出冷却速率 冷却速率） 将以上数据代入公式（6）计算得到： Dq Dt q =q 2 = 0 . 040 o C /S 。 （或者用镜尺法求出 - 10 - l = mc Dq Dt q =q 2 -3 (R p + 2hP 4hB 1 2 ( 2 R P + 2 h P (q 1 - q 2 p d B ´ 385 ´ 0 . 040 ´ = 891 . 42 ´ 10 65 . 00 + 2 ´ 7 . 66 2 ´ 65 . 00 + 2 ´ 7 . 66 ´ 4 ´ 8 . 06 80 . 2 - 45 . 0 ´ 1 p ´