2023年非稳态法测材料的导热性能实验报告

非稳态（准稳态）法测材料的导热性能一、实验目的测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。二、实验原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为25,初始温度为t。，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t（x,r）o导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：dt(x,T)d2何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t（x,r）o导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：dt(x,T)d2t{x,r)=a：——dx汇=0时,t=to图i第二类边界条件无限大平板

导热的物理模型x=0处，dt方程的解为：图）*#-胃+吟-口PE3⑴

式中：T一时间式中：T一时间（S）；式中：T式中：T一时间（S）；入一平板的导热系数（w/m・℃）;a一平板的导热系数（rr|2/s）;一〃兀n=1,2,3,Fo——傅立叶准则；七一初始温度（°C）;q1一沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度（w/m2）;随着时间t的延长，F。数变大，式（1）中级数和项愈小。当Fo>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成：(2)(2)由此可见，当Fo>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：小、,ar1、丁（5飞）平板加热面x=8处为：TOC\o"1-5"\h\z/e、q@MT1、/c、r（d>,r）-r0=——（—7+-）（3）X3此两面的温差为：IQ△t=r）-Z（O,r）=--与-2A如已知q,和5,再测出△t,就可以由式（3）求出导热系数：

(4)2Ar(4)事实上，无限大平板是无法实现的，实脸总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：q『=cFp喙式中：F为试件的横截面（m?）；C为试件的比热（J/kg・℃）;P为试件的密度(kg/Y),1200kg/m3;为准稳态时的温升速率（°C/s）:由上式可得比热：实验时，，以试件中心处为准。三、实验装置（图2）按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下：图2实验装置图｝试件试件尺寸为200mmX200mmX5,共四块，尺寸完全相同，S=10mmo每块试件上下面要平齐，表面要平整。2）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20Hm，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70Hm。其电阻值稳定，在0700℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是200mmX200mm的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。）绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式（4）中的热量q。等于加热器发出热量的0.5倍。4）热电偶运用热电偶测量试件2两面的温度及试件2、3接触面中心处的温升速率。实险时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2,试件和加热器要对齐，温度传感器的放置如图2o四、实验环节（见PC机界面说明）1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度5。2、按图2放好试件、加热器和温度传感器，接通电源。3、接通电源，给加热器通以恒定电流，（实验过程中，电流不允许变化），同时启动秒表，每隔一分钟记录试件2两侧热电势（由热电势查温度值），经一段时间后（随所测材料而不同，一般在10-20分钟）系统进入准稳态。4、第一次实脸结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才干继续作下一次实脸。但试件不能连续做实脸，必须通过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才干再作下一次实脸。5、实验所有结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、实验数据记录和解决试件截面尺寸F:0.2X0.2[m2]试件厚度5:0.01[m]试件材料密度p=12O0[kg/m3]。加热功率P:[w]Qu图1第二类边界条件无限大平板

导热的物理模型时间[分]0123456热电势[mV]1234时间[分]78910111213热电