导热系数的测量实验报告
导热系数的测量
【实验目的】
用稳态法测定出不良导热体的导热系数,并与理论值进行比较。
【实验仪器】
导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块
【实验原理】
根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为T 1、T 2的平行平面(设T 1>T 2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式:
h
T T S t Q )(21-=??λ (3-26-1) 式中,t
Q ??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。
在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B ,再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度T 1、T 2,T 1、T 2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G ,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为
221)(B B
R h T T t Q πλ-=?? (3-26-2) 式中,R B 为样品的半径,h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,T 1和T 2的值不变,遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相
等,因此,可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量t
Q ??。实验中,在读得稳定时T 1和T 2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的T 2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度T 随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在T 2的冷却速率2
T T t T
=??,而2T T t T mc =??,就是铜盘P 在温度为T 2时的散热速率。但要注意,这样求出的2
T T t T
=??是铜盘P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率,其散热表面积为
P P B h R R ππ222+。然而,在观察测量样品的稳态传热时,P 盘的上表面是被样品覆盖着的,并未向外界散热,所以当样品盘B 达到稳定状态时,散热面积仅为:
P P P h R R ππ22+。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比,在稳态是铜盘散热速率的表达式应作如下修正:
)22()
2(2
22P P P p P P T T h R R h R R t T m c t Q ππππ++??=??= (3-26-3)
将式(3-26-3)代入(3-26-2),得
2211))(22()2(2B P P B
p P T T R T T h R h h R t T mc πλ-++??== (3-26-4) 【实验内容】
1、测量P 盘和待测样品的直径、厚度,测P 盘的质量。要求:
(1) 用游标卡尺测量待测样品直径和厚度,各测5次。
(2) 用游标卡尺测量P 盘的直径和厚度,测5次,按平均值计算P 盘的质量。
(3) 用电子秤称出P 盘的质量、
2、不良导体导热系数的测量
(1) 实验时,先将待测样品放在散热盘P 上面,然后将发热盘A 放在样品盘B
上方,并用固定螺母固定在机架上,再调节三个螺旋头,使样品盘的上下
两个表面与发热盘和散热盘紧密接触。
(2) 在杜瓦瓶中放入冰水混合物,将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中,将热电偶的
热端分别插入加热盘A 和散热盘P 侧面的小孔中,并分别将其插入加热
盘A 和散热盘P 的热电偶接线,连接到仪器面板的传感器Ⅰ、Ⅱ上。分
别用专用导线将仪器机箱后的接头和加热组件圆铝板上的插座间加以连
接。
(3) 接通电源,在“温度控制”仪表上设置加热的上限温度。将加热选择开关
由“断”打向“1-3”任意一档,此时指示灯亮,当打向3档时,加温速
度最快
(4) 大约加热40分钟后,传感器Ⅰ、Ⅱ的读数不再上升时,说明已达到稳态,
每隔5分钟记录V T1和V T2的值
(5) 在实验中,如果需要掌握用直流电位差计和热电偶来测量温度的内容,可
将“窗期切换”开关转至“外接”,在“外接”两接线柱 上接上UJ36a
型直流电位差计的“未知”端,即可测量散热铜盘上热电偶在温度变化时
所产生的电势差。
(6) 测量散热盘在稳态值T 2附近的散热速率??
? ????t Q 。移开铜盘A ,取下橡胶盘,并使铜盘A 的底部与铜盘P 直接接触,当P 盘的温度上升到高于稳态值
V T2值若干度后,再将铜盘A 移开,让铜盘P 自然冷却,每隔30秒记录此
时的T 2值。根据测量值计算出散热速率t
Q ??。 3、金属导热系数的测量
(1) 将圆柱体金属铝棒置于发热圆盘与散热圆盘之间。
(2) 当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后,T 1、T 2值为金属样品上下两个
面的温度,此时散热盘P 的温度为T 3值。因此,测量P 盘的冷却速率为3T T t
Q
=?? (3-26-5) 由此得到导热系数为
2
211)()22()2(3R T T h h R h R t T
mc P P P P T T πλ-++??== (3-26-6) 测T 3值时可在T 1、T 2达到稳定时,将插在发热圆盘与散热圆盘中的热电偶取出,分别插入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。
【数据记录及处理】
1、铜的比热容 c=393J/(kg ·℃)
散热盘P :质量m= 909.2 g 半径R P ==P D
1 6.5004 cm 橡胶盘:半径R B ==B
D 1 6.5002 cm
2、根据实验结果,计算出不良导热体的导热系数,并求出相对误差。 =-++??=2211))(22()2(B
P P B P P R T T h R h h R t T mc πλ0.12767
E==?
09297.037.3%
(精品)热阻及热导率的测量方法
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ:热导率,W/(m﹒K); A:试样的面积,m 2 ; H:试样的厚度,m; Q:热流量,W 或者 J/s; q:单位面积热流量,W/ m 2 ; R:热阻,(K﹒m 2 )/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度,使得试样上下两面形成温度梯度,促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试: T1=高温测量块的高温,K; T2=高温测量块的低温,K; T3=低温测量块的高温,K; T4=低温测量块的低温,K; A=测试试样的面积,m 2 ; H=试样的厚度,m。 基于理想测试模型需计算以下参数: T H:高温等温面的温度,K; T C:低温等温面的温度,K; Q:两个等温面间的热流量 热阻:两等温界面间的温差除以通过它们的热流量,单位为(K﹒m 2 )/W; 热导率:从试样热阻与厚度的关系图中计算得到,单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此,对于固体材料在测量时需保持一定的压力,并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻,用热阻相 对于厚度作图,所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率,在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时(通常小于1%),试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能,加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm;测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪(测微计、LVDT、激光探测器等)。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护, 保护罩 与热源绝缘,与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源,通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量, 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系(Fourier传热方程),确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块,其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上,并保持表面的平行性和对位。
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。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板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: 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,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,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,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。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃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(见图 2),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 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R