一、對銅一康銅熱電偶溫度計定標。
二、測量物體在室溫~100℃范圍內多個點的導熱系數,畫出曲線。
1、測量不良導體的導熱系數,本機器附橡皮、陶瓷、牛筋等樣品供教學測試用。
2、測量金屬的導熱系數,本機器附有硬鋁測試樣品。
3、測量空氣的導熱系數。
[結構特性]
機器設計新穎,美觀大方,便於包裝運輸。實驗時能減小溫度對放大電路及數顯機表的影響;采用低壓加熱,具有較好的熱穩定性,安全系數較高。本機器可多點測定材料的導熱系統,能形象地描述材料在不同溫度下的導熱性能。學生在實驗過程中操作靈便。
[測量范圍、精度]
1、PID控溫:精度±1℃;最小分辨率0.1℃;
2、溫度測量部分:室溫0~120℃;溫量精度:±1℃;溫差測量的精度0.5℃;
3、計時部分:范圍0~100min;最小分辨1S;精度:10-5;
4、電壓表:準四位半,精度0.1%。
導熱系數的測量
導熱系數(熱導率)是反映材料熱性能的物理量,導熱是熱交換三種(導熱、對流和輻射)基本形式之一,是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環保等各個研究領域的課題之一,要認識導熱的本質和特征,需瞭解粒子物理而目前對導熱機理的理解大多數來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很大程度上取決於它的微觀結構,熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移,在金屬中電子流起支配作用,在絕緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。因此,材料的導熱系數不僅與構成材料的物質種類密切相關,而且與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質含量相聯系。在科學實驗和工程設計中所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法測定。(粗略的估計,可從熱學參數手冊或教科書的數據和圖表中查尋)
1882年法國科學傢J•傅裡葉奠定瞭熱傳導理論,目前各種測量導熱系數的方法都是建立在傅裡葉熱傳導定律基礎之上,從測量方法來說,可分為兩大類:穩態法和動態法,本實驗采用的是穩態平板法測量材料的導熱系數。
【實驗目的】
1、瞭解熱傳導現象的物理過程
2、學習用穩態平板法測量材料的導熱系數
3.學習用作圖法求冷卻速率
4、掌握一種用熱電轉換方式進行溫度測量的方法
【實驗機器】
1、DM3615型導熱系數測試機 一臺
2、保溫杯 一隻
3、測試樣品(硬鋁、矽橡膠、膠木板) 一組
4、塞尺 一把
【實驗原理】
為瞭測定材料的導熱系數,首先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出:如果熱量是沿著Z方向傳導,那麼在Z軸上任一位置Z0處取一個垂直截麵積dS(如圖1)以 表示在Z處的溫度梯度,以 表示在該處的傳熱速率(單位時間內通過截麵積dS的熱量),那麼傳導定律可表示成:
(S1-1)
式中的負號表示熱量從高溫區向低溫區傳導(即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相反)。式中比例系數λ即為導熱系數,可見熱導率的物理意義:在溫度梯度為一個單位的情況下,單位時間內垂直通過單位麵積截麵的熱量。
利用(S1-1)式測量材料的導熱系數λ,需解決的關鍵問題兩個:一個是在材料內造成一個溫度梯度 ,並確定其數值;另一個是測量材料內由高溫區向低溫區的傳熱速率 。
1、關於溫度梯度
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為瞭在樣品內造成一個溫度的梯度分佈,可以把樣品加工成平板狀,並把它夾在兩塊良導體——銅板之間(圖2)使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2,就可能在垂直於樣品表麵的方向上形成溫度的梯度分佈。樣品厚度可做成h≤D(樣品直徑)。這樣,由於樣品側麵積比平板麵積小得多,由側麵散去的熱量可以忽略不計,可以認為熱量是沿垂直於樣品平麵的方向上傳導,即隻在此方向上有溫度梯度。由於銅是熱的良導體,在達到平衡時,可以認為同一銅板各處的溫度相同,樣品內同一平行平麵上各處的溫度也相同。這樣隻要測出樣品的厚度h和兩塊銅
板的溫度T1、T2,就可以確定樣品內的溫度梯度度 。當然這需要銅板與樣品表麵的緊密接觸(無縫隙),否則中間的空氣層將產生熱阻,使得溫度梯度測量不準確。
為瞭保證樣品中溫度場的分佈具有良好的對稱性,把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。
2、關於傳熱速率
單位時間內通過一截麵積的熱量 是一個無法直接測定的量,我們設法將這個量轉化為較為容易測量的量,為瞭維持一個恒定的溫度梯度分佈,必須不斷地給高溫側銅板加熱,熱量通過樣品傳到低溫側銅塊,低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時,系統就達到一個動態平衡狀態,稱之為穩態。此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣,隻要測量低溫側銅板在穩態溫度T2下散熱的速率,也就間接測量出瞭樣品內的傳熱速率。但是,銅板的散熱速率也不易測量,還需要進一步作參量轉換,我們已經知道,銅板的散熱速率與其冷卻速率(溫度變化
率 )有關,其表達式為:
(S1-2)
式中m為銅板的質量,c為銅板的比熱容,負號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質量容易直接測量,c為常量,這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量:在達到穩態後,移去樣品,用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱,使其的溫度高於穩定溫度T2(大約高出10℃左右)再讓其在環境中自然冷卻,直到溫度低於T2,測出溫度在大於T2到小於T2區間中隨時間的變化關系,描繪出T—t曲線,曲線在T2處的斜率就是銅板在穩態溫度時T2下的冷卻速率。
應該註意的是,這樣得出的 是在銅板全部表麵暴露於空氣中的冷卻速率,其散熱麵積為2πRP2+2πRPhP(其中RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度)然而在實驗中穩態傳熱時,銅板的上表麵(麵積為πRP2)是樣品覆蓋的,由於物體的散熱速率與它們的麵積成正比,所以穩態時,銅板散熱速率的表達式應修正為:
(S1-3)
根據前麵的分析,這個量就是樣品的傳熱速率。
將上式代入熱傳導定律表達式,並考慮到ds=πR2可以得到導熱系數:
(S1-4)
式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、c為銅塊的比熱容、RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量
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