不良导体导热系数的测定

试验九不良导体导热系数的测定试验九不良导体导热系数的测定－－48－试验九不良导体导热系数的测量导热系数(热导率)〔和辐射〕根本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个争论领域的课题之一，要生疏导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的试验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观构造，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大局部半导体中则以晶格振动起主导作用。温度、压力及杂质含量相联系。在科学试验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用试验的方法测定〔寻〕1882年法国科学家J傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律根底之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本试验承受的是稳态平板法测量材料的导热系数。【试验目的】了解热传导现象的物理过程学习用稳态平板法测量材料的导热系数学习用作图法求冷却速率把握一种用热电转换方式进展温度测量的方法【试验仪器】YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品〔硬铝、硅橡胶、胶木板、塞尺等【试验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导zzz0处取一个垂直截dsdTzdQ表示在该处的传热速率〔单位时间dz dt内通过截面积ds的热量，那么传导定律可表示成：dQ(dT)dz

dsdt 〔9-1〕z0式中的负号表示热量从高温区向低温区传导〔即热传导的方向与温度梯度的方向相反〔9-1〕式中比例系数即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的状况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。利用〔9-1〕式测量材料的导热系数，需解决的关键问题两个：一个是在材料内造成一个温度梯度dQ。dt

dT，并确定其数值；另一个是测量材料内由高温区向低温区dz1dTdz为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间，使两块铜板分别保持在恒定温度T1

和T，就可能在垂2直于样品外表的方向上形成温度的梯度分布。样品厚度可做成hD〔样品直径。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无视不计，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，在到达平衡时，可以认为同一铜板各处的温度一样，样品内同一平h和两块铜板的温度T1

、T，21就可以确定样品内的温度梯度度T1

T2〔无h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。等大的圆形。2dQdt单位时间内通过一截面积的热量

dQ是一个无法直接测定的量，我们设法将这dt个量转化为较为简洁测量的量，为了维持一个恒定的温度梯度分布，必需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四周环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就到达一个动态平衡状态，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

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，铜板的散热速率与其冷却速率〔温度变化率dT/dt〕有关，其表达式为：dQdtT

mc 〔9-2〕dTdTdt2 2式中mc为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。由于质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：在到达稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下金属铜板加热，使其的温度高于稳定温度T2

〔10℃左右〕T2

，测出温度在大于T2

到小于T区间2Tt曲线，曲线在T2

处的斜率就是铜板在稳态温度时T下的冷却速率。2应当留意的是，这样得出的dT/dt是在铜板全部外表暴露于空气中的冷却速2R22Rh(Rh

分别是下铜板的半径和厚度)然而在P PP P P试验中稳态传热时，铜板的上外表〔面积为R2〕是样品掩盖的，由于物体的散热P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：dQ dT R2mc p PP

〔9-3〕dt dt 2R22Rhp PP依据前面的分析，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dsR2可以得到导热系数：dTdt 2h R 1 dTdtmc P P

〔9-4〕2h 2RP P

R2 T T1

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 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。【试验步骤与要求】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，屡次测量、然后取平均值。其中铜板的比热容c0.385KJ/KKg加热温度的设定〔〔S后一位数码管开头闪耀。依据试验所需温度的大小，再按设定键、减数键〕来设定好所需的加热温度。8秒钟后返回至正常显示状态。圆筒发热盘侧面和散热盘P都应与冰点补偿器在同一侧，以免线路错乱。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，热电偶冷端接到冰点补偿器信号输入端。依据稳态法的原理，必需得到稳定的温度分布，这就需要较长的时间等待。“手动”“高”档，依据目标温度的凹凸，加热确定时间后再打至“低”档。依据温度的变化状况要手动去把握“高”档或“低”档加热。然后，每隔5分钟读一下温度示值〔具体时间因被测物和温度而异，如在一段时间内样品上、下外表温度T1

、T示值都不变，2即可认为已到达稳定状态。自动PID控温测量时，把握方式开关打到“自动”,手动选择开关打到中间一档，PID5分钟读一下温度示值，如在一段时间内样品上、下外表温度T1

、T示值都不变，即可认为已到达稳定状态。2记录稳态时T1

、TT高2 210每隔30T2

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。依据〔9-4〕计算样品的导热系数λ。本试验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.0mV，故应配用量程0～20mV，并能读到0.01mV的数字电压表〔数字电压表前端承受自稳零放大器，故无须调零。由于热电偶冷端温度为0℃，对确定材料的热电偶而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势〔mV〕与待测温度〔0℃〕的比值是一个常数。由此，再用〔9-4〕计算时,可以直接以电动势值代表温度值。【试验留意事项】稳态法测量时，要使温度稳定约要40分钟左右。手动测量时，为缩短时间，可先将热板电源电压打在高档，确定时间后，毫伏表读数接近目标温度对应的热电偶读数，即可将开关拨至低档，通过调整手动开关的高档、低档及断电档，使上铜盘的热电偶输出的毫伏值在±0.03mV30A和P对应的毫伏读数，待下圆盘的毫伏读数在3分钟内不变即可认为已到达稳定状态,记下此时的V 和V 值。T T1 2测金属的导热系数的稳态值时,热电偶应当插到金属样品上的两侧小孔中；测量散热速率时，热电偶应当重插到散热盘的小孔中。T1

、T值为稳态时金属样品2上下两侧的温度，此时散热盘P的温度为T3

，因此测量P盘的冷却速率应为：mc

hTtTTtTT3 1 2

1R2测T值时要在T3

、T到达稳定时，将上面测T2

或T的热电偶移下来插到金属下端的2小孔中进展测量。高度h按金属样品上的小孔的中心距离计算。BP的几何尺寸，可用游标尺屡次测量取平均值。散热盘的质量m0.8㎏，可用药物天平称量。本试验选用铜—1004.27mV，故配用0—20mV0.01ｍV的电压。备注：当消灭特别报警时，温控器测量值显示：HHHH，设置值显示：Err，当故障检查并解决后可按设定键〕复位和加数键、减数键〕【预习思考题】到稳态？试验中为什么要测量散热盘的冷却速率？【课后作业】试述稳态法测不良导体导热系数的根本思想方法？求冷却速率时,为什么要在散热盘稳态温度四周选值？稳态法测量导热系数,要求哪些试验条件？在试验中如何确定和保证？不用确定热电势与温度的关系来得到温度值，而直接代入热电势计算即可？【附录】一、YBF-3型导热系数测试仪使用说明导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的重要依据，而且是应用材料时的一个设计参数，在加热器、散热器、传热管道设计、房屋设计等工程实践中都要涉及这个参数。由于材料的热导率不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、构造变化都会明显影响热导率的数值，所以在科学试验和工程技术中对材料的热导率常用试验的方法测定。测量热导率的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本测试仪承受稳态法测量不同材料的导热系数，其设计思路清楚、简捷、试验方法具有典型性和有用性。测量物质的导热系数是热学试验中的一个重要内容。上面板图下面板图上面板图下面板图仪器的面板图加热温度的设定按一下温控器面板上设定键〔S，此时设定值〔SV〕闪耀。依据试验所需温度的大小，再按设定键〔S〕、减数键〕来设定好所需的加热温度。8秒钟后返回至正常显示状态。仪器维护与保养使用前将加热盘与散热盘面擦干净。样品两端面擦净，可涂上少量硅油。以保证接触良好。留意，样品不能连续做试验，特别是硅橡胶，必需降至室温半小时以上才能下一次试验。在试验过程中，如假设移开电热板，就先关闭电源。移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以免烫伤手。数字电压表数字消灭不稳定时先查热电偶及各个环节的接触是否良好。仪器使用时,应避开四周有猛烈磁场源的地方。试验完毕后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以至影响试验的精度。仪器长时间不使用时，请套上塑料袋，防止潮湿空气长期与仪器接触。房间80%。仪器在搬运及放置时，应避开猛烈振动和受到撞击。长期放置不用后再次使用时，请先加电预热30min后使用。〔mV〕温表9-1 〔mV〕温0123456789度℃-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.720-00.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.34500.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7011104.7494