用稳态法测不良导体的热导率.docx
- 文档编号:15855424
- 上传时间:2023-07-08
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:120.92KB
用稳态法测不良导体的热导率.docx
《用稳态法测不良导体的热导率.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《用稳态法测不良导体的热导率.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
用稳态法测不良导体的热导率
用稳态法测不良导体的热导率
热传导是指热量从物体温度较高部分沿着物体传到温度较低部分的方式,它是三种传热模式(热传导、对流、辐射)之一。
各种材料都能够传热,但是不同材料的热传导性能不同。
热导率又称“导热系数”,是表征材料热传导性能的基本物理量,其定义为单位时间内通过单位面积的热能与温度梯度之比。
热导率高的材料称为热的良导体,否则为热的不良导体。
热导率受材料本身的状态、成分、结构、密度以及湿度、温度和压力等综合因素影响。
在科研、生产很多领域,材料的热导率是应用材料的一个重要指标。
目前,测量固体材料的热导率一般有两种实验方法:
稳态法和动态法。
稳态法测量是基于样品内部待测热导率方向形成稳定的温度差,利用稳定传热过程中,传热速率等于散热速率的平衡条件来测量样品的热导率。
动态法测量热导率是在被测样品整体达到温度均匀恒定后,加载微小的温度扰动,通过检测此温度扰动直接计算出被测样品在此恒定温度下的热导率。
稳态测量法原理清晰,计算公式简单,可用于较宽温区的测量,但测定时间较长和对环境要求较严格。
动态法测试对边界条件没有太多的要求,测试设备相对比较简单,但动态法的测试数据方法一般都比较复杂,甚至要进行复杂的数学公式进行各种修正。
本实验应用稳态法中的平板法测量不良导体的热导率,学习用物体散热速率求热导率的实验方法。
【实验目的】
1.了解热传导现象的物理过程,掌握用稳态法测量不良导体热导率的原理。
2.掌握测量冷却速率的方法,以及通过散热速率求传热速率以及热导率。
3.了解热电偶的原理以及使用方法。
【实验原理】
法国数学家、物理学家约瑟夫.傅里叶(JosephFourier)于1882年建立了傅里叶热传导定律,即:
如果物体内部有温差存在时,热量将从物体高温部分流向
低温部分,时间内流过面积的热量正比于温度梯度,其比例系数既是热
导率。
其热传导的基本公式为:
--⑴
式中为传热速率,是与面积相垂直方向上的温度梯度,“-”号表示热量由
高温传向低温。
即为热导率,其具体定义为:
在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米、面积为1平方米的平行平面,若两个平面的温度相差1K,则在1
秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,其单位为或。
本次实验采用稳态法中的平板法来测量作为不良导体样品的传热速率一,再利用傅里叶热传导公式直接计算出热导率。
此方法是C.H.Lees于1898年首先使用。
其实验原理如图1所示:
图1平板法测不良导体热导率示意图
加热盘A、样品B和散热盘C均做成直径相同的圆盘平板状,即:
样品B其上端面与一均匀、稳定发热的发热盘A充分接触,下端面与一均匀散热盘C充分接触。
热量由发热盘A通过样品B上表面传入,并由样品B下表面向散热盘C散发。
由于平板样品B的侧面积相较与上下端面面积小很多,可以近似认为热量只沿着上下端面垂直方向传递,横向由侧面散去的热量忽略不计。
即可以认为,样品内只有在垂直样品上下端平面的方向上有温度梯度,在同一垂直平面内,各处的温度相同。
样品被加热足够时间后,其内部温度分部达到稳定,即达到稳态。
此时,样
品的上下端面温度分别恒定在、,则样品垂直方向上平均温度梯度为:
——,式中为样品的厚度。
对于性质均匀的样品,根据傅立叶传导方程,可以得出在t时间内通过样品的热量应满足下式:
式中■为样品的热导率,、为样品的厚度和直径,为样品的散热面面积
样品的传热速率一无法直接测量,而当样品传热达到稳定状态时,其上下端面的温度不变,可以认为通过加热盘传递给样品的热流量与样品传递给散热盘,并通过散热盘向周围环境散发的热量相等。
即此时样品的传热速率和散热体的散热速率相等,即一亠。
因此,可以通过获得散热盘在稳定时的散热速率来得到此时样品的传热速度。
同样,散热盘的散热速率也无法直接测量,但散热盘冷却速率是可以测量获得的,而同等条件下,散热盘的散热速率与冷却速率一存在以下关系:
散热
^热一⑶
式中mc为散热盘的质量和比热容。
冷却速度的定义为单位时间内温度的改变
量。
因此,通过测量散热体在温度时的冷却速率一,就可以计算出散热
体在温度的散热速率,从而得到待测样品稳态时的传热速率,根据公式
(2)、
(3)就可以计算出样品的热导率。
⑷
散热盘在稳态时,上表面被样品覆盖,对外散热只有下表面和侧表面,而实验中,测量散热盘冷却速率时,散热盘上下表面都将暴露在空气中,因此增加了上表面的散热面积。
物体的冷却速率与其散热表面积成正比,因此,稳态时散热
盘的散热速率相对于散热盘冷却时的散热速率应作面积修正,
散热
稳态
散热
稳态
冷却,式中,
冷却
S稳态为散热盘稳态时的散热面积,
S冷却为散热盘冷却时的
散热面积。
则公式(4)修正为:
式中、为散热盘的质量和比热容,、为散热盘半径及厚度,、分别
为样品的厚度与直径。
【实验仪器】
HLD-PBF-山型导热系数测试仪、铜-康铜热电偶、保温杯、电子天平、游标
卡尺。
【仪器介绍】
一、HLD-PBF-山型导热系数测试仪
HLD-PBF-山型导热系数测试仪包含了实验装置、数字电压表、数字秒表、
PID自动控温装置,装置示意图如图2所示:
图2HLD-PBF-III型导热系数测试仪示意图
实验装置固定于底座的三个支架上,微调螺栓支撑着铝散热盘,散热盘可以借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。
散热盘上安放着底面积相等的样品盘,样品盘上放置一个同等底面积的圆盘状加热盘。
加热盘是由单片机控制的自适应电加热器,自适应加热器可以由PID自动控温装置控制温度。
所使用的数字电
压表、数字秒表都集成在了仪器上。
通过旋钮选档可以在数字电压表上分别查看两只热电偶的温差电动势。
PID控温表的面板如图3所示,其设置方法如下:
图3PID控温表面板说明图
首先按(SET)功能键,温度设定值个位显示将会闪烁,通过移位键“V”可以循环选择个位、十位、百位以及千位,按面板上的数据增加键“▲”或数据减小键“▼”来调整设置温度,再次按一下(SET)按键即可完成设置。
选择实验装置加热模式30秒后,仪器开始加热。
自动加热模式由控温表控制自适应加热器到设定温度值,并保持恒定。
自适应加热器的温度可通过传感器显示于测量值显示窗。
二、铜-康铜热电偶
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是利用温差电效应制成的,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。
热电偶是由两种性质不同,但满足一定要求的导体或半导体材料构成回路,如图4所示:
材料A和材料B构成回路,当两接点a、b的温度不同时,在闭合回路中会
产生电动势,该电动势称为温差电动势,其值与两端的温度满足下面的等式:
式中Ti是热端温度,To是冷端温度,其单位为°C,为温度系数,其大小由热电偶组成材料决定。
本次实验采用“铜-康铜”热电偶,其组成如图5所示。
其接点1(热端)放入待测盘的小孔中,另一接点2(冷端)放在盛有冰水混合物的保温杯中或者冷端采用电子补偿,使该接点维持在恒定的0C。
因为冷端To恒定于0C,则热电偶产生的温差电动势只随热端(测量端)温度的变化而变化,即一定的热电动势对应着一定的温度。
这样,只要测量热电动势就可达到测量温度的目的。
实验中采用的铜-康铜热电偶其温度系数约为——o
铜-康铜热电偶的分度表详见附录。
【预习思考题】
1、如果测量稳态温度时,样品与加热盘、散热盘间有空气间歇,对所测热
导率值将有什么影响?
2、待测样品是厚一些好,还是薄一些好?
为什么?
3、实验过程中,底座风扇有什么作用?
【注意事项】
1、使用前将加热盘、散热盘面以及样品两端面擦干净。
实验时,应保证样品与加热盘、散热盘接触面位置对应,接触良好。
注意:
样品不能连续做实验,必须在室温中降温半小时以上才能做下一次实验。
2、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高,操作时带上护具,合理使用工具,避免烫伤。
3、实验过程中,移动加热盘的操作应先关闭电源。
移开后的发热盘一定要用固定螺钉固定在机架上,以防在实验过程中下滑而造成事故上。
4、实验结束后,切断电源,保管好测量样品。
不要使样品两端划伤,以至
影响以后实验的精度。
【实验内容与步骤】
一、测定物体的几何尺寸及质量
1、用游标卡尺分别取不同的三个位置测量散热盘的直径、厚度和待测
样品厚度的,然后取平均值。
样品直径与散热铝盘直径约相等。
2、用电子天平单次称量散热盘质量m。
二、固定样品,调整整个实验装置
1、将样品盘放在散热盘和发热盘之间,要求样品与加热盘、散热盘完全对准。
调节三个微调螺栓,使样品上下两表面分别与发热盘和散热盘紧密接触,但注意不宜过紧或过松。
为保证接触良好,接触面可涂抹少许硅油或导热硅脂。
在安放加热盘和散热盘时,还应注意使放置热电偶传感器的小孔上下对齐。
2、将两个铜-康铜热电偶热端传感器分别插入发热盘和散热盘侧面小孔中,
为保证接触良好,可在传感器上抹少些硅油或者导热硅脂,并插到洞孔底部。
热
电偶冷端插入盛有冰水混合物的保温杯中或者冷端采用电子补偿。
3、接好电源及相关传感器连接线。
4、接通导热系数测定仪的电源,开启电源后,预热30分钟。
三、加热样品到设定温度
1、设置PID自动控温装置温度为80°C。
2、为加快加热速度,先选择手动加热模式,选择高温档,直到自适应电加
热器温度升高到60°C后,转换加热方式为自动加热。
3、打开主机底部小风扇,形成稳定散热环境。
4、当PID控温表测量到自适应加热器温度上升到设定值80C后,控温设置将自动调节,使自适应加热器温度恒定在80C。
四、测量稳态时样品盘上下两个表面的温度Ti和T2。
1、每隔两分钟分别观察加热盘和散热盘上热电偶的温差电动势。
加热盘和散热盘的温差电动势10分钟或更长的时间内基本不变,可以认为系统已经达到热稳定状态。
2、分别记录稳态时加热盘和散热盘上热电偶的温差电动势、。
五、测量散热盘冷却速度
1、切断电源,移开加热盘,取出样品;然后放下加热盘,使发热盘直接覆盖散热盘,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好。
2、打开电源,再次设置PID自动控温装置为80oC,加热散热盘。
3、当测量散热盘的热电偶温差电动势比稳态时增加约0.3-0.5mV时,停止加热,移开加热盘。
4、散热盘在空气中自然冷却,每隔20s记录一次散热盘的温差电动势,直
到电压表读数比稳态低约0.3-0.5mV为止。
注意:
冷却时保持底座电风扇开启。
【实验数据记录及处理】
1、记录相关几何尺寸及质量数据
表1散热盘、样品几何尺寸及质量
位置1
位置2
位置3
平均值
散热盘厚度
(hC/mm)
散热盘直径
dC/mm
样品厚度
(hB/mm)
样品直径dB=散热盘直径de-mm;散热盘半径R;=mm
散热盘质量:
m-g
2、记录稳态时热电偶分别测量加热盘和散热盘的温差电动势、,并通
过附录铜一康铜热电偶分度表查出对应的温度值,即得到稳态时样品上下表面的温度Ti,T20
表2稳态时样品上下表面温度
温差电动势e(mv)
温度T(°C)
加热盘(样品上表面)
Ti:
—
散热盘(样品下表面)
T2-
3、记录散热盘冷却时的温度随时间的变化情况
由临近温度T2值的数据中计算冷却速率。
也可以根据记录数据做T-t冷却曲线,画出T2点的切线,根据切线斜率计算冷却速率
表3散热盘散热速度
时间(s)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
电动势
(mV
温度
(°C)
4、计算不良导体样品的导热系数
由公式(5)计算不良导体样品的导热系数。
注:
铝的比热容参考值
【思考题】
1、应用稳态法是否可以测量良导体的导热率?
如不可以,请说明原因;如可以,请说明对实验样品处理的注意事项,以及与测不良导体是否有区别。
2、为什么求散热体冷却速率时要在其稳态温度附近选值?
3、讨论本实验误差因素,并说明测量导热系数可能偏小的原因。
附录铜一康铜热电偶分度表
温度
(C)
热电势(mV)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-10
-0.383
-0.421
-0.458
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
-0
0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.117
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.882
1.865
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.493
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.813
3.859
3.906
3.952
3.998
4.044
4.091
4.137
4.184
4.231
100
4.277
4.324
4.371
4.418
4.465
4.512
4.559
4.607
4.654
4.701
110
4.749
4.796
4.844
4.891
4.939
4.987
5.035
5.083
5.131
5.179
120
5.227
5.275
5.324
5.372
5.420
5.469
5.517
5.566
5.615
5.663
130
5.712
5.761
5.810
5.859
5.908
5.957
6.007
6.056
6.105
6.155
140
6.204
6.254
6.303
6.353
6.403
6.452
6.502
6.552
6.602
6.652
150
6.702
6.753
6.803
6.853
6.903
6.954
7.004
7.055
7.106
7.156
160
7.207
7.258
7.309
7.360
7.411
7.462
7.513
7.564
7.615
7.666
170
7.718
7.769
7.821
7.872
7.924
7.975
8.027
8.079
8.131
8.183
180
8.235
8.287
8.339
8.391
8.443
8.495
8.548
8.600
8.652
8.705
190
8.757
8.810
8.863
8.915
8.968
9.024
9.074
9.127
9.180
9.233
200
9.286
【参考文献】
[1]王植恒,何原,朱俊•大学物理实验[M].北京:
高等教育出版社,2008:
141-146
[2]黄建群•大学物理实验[M].成都:
四川大学出版社,2005:
95-98
[3]贾玉润,王公治,凌佩玲•大学物理实验[M].上海:
复旦大学出版社,1986:
171—173
[4]陆申龙,郭有思•热学实验[M].上海:
上海科学技术出版社1985:
197—201
⑸林抒,龚镇雄•普通物理实验[M].北京:
人民教育出版社1981:
168-170
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 稳态 不良导体 热导率
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)