实验指导书(准稳态法测定材料的导热系数).pdf

准稳态法测定材料的导热系数一、实验目的1、通过实验，掌握准稳态法测量材料的导热系数和比热容的方法；2、掌握使用热电偶测量温度的方法；3、加深对准稳态导热过程基本理论的理解。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2δ(图中为2b)，初始温度为t，平板两面受恒定的热流密度q均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿0c平板厚度方向的温度分布t(x，)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：t(x,)2t(x,)ax20时,tt0tx=0处，0xtx处，qxc图1第二类边界条件无限大平板导热的物理模型方程的解为：qa23x22xt(x,)tc[(1)n1cos()exp(2F)]（1）062n0n1n式中：τ—时间(s)；λ—平板的导热系数(w/m∙℃)；a—平板的热扩散率(m2/s)；—nn=1，2，3，„„；naF—傅立叶准则；t—初始温度(℃)；020q—沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m2)；c随着时间τ的延长，F数变大，式（1）中级数和项愈小。0当F>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成：0qax21t(x,)tc()（2）02226由此可见，当F>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0常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准稳态时，平板中心面x=0处的温度为：1qa1t(0,)tc()026平板加热面x=δ处为：qa1t(,)tc()（3）023此两面的温差为：1qtt(,)t(0,)c2如已知q和δ，再测出Δt，就可以由式（3）求出导热系数：cqc（4）2t根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：dtqFCFcd式中：F为试件的横截面(m2)；C为试件的比热(J/kg℃)；ρ为试件的密度(kg/m3)；dt为准稳态时的温升速率(℃/s)；dq由上式可得比热：ccdtd三、实验装置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：加热器1绝热层热电偶2试件1稳热电偶1试件2压试件3K试件4器绝热层加热器2图2实验装置图21）试件试件尺寸为100mm×100mm×δ，共四块，尺寸完全相同，δ=10mm。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20μm，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70μm。其电阻值稳定，在0—100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是100㎜×100㎜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。3）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（）中的热量等于一个加热器发出热量的倍，即两4qc0.5个加热器发出热量的0.25倍（除以导热面积）。4）热电偶利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温升速率，热电偶由0.1㎜的康铜丝制成。实验时，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。热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。四、实验步骤1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度δ；2、按图2放好试件、加热器和热电偶，接好电源；3、测量试件壁温和温差。测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温；4、接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定）。记录温度和加热电压电流。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为10～20分钟），系统进入准稳态，此时温差的数值（即式（4）中的温差Δt）几乎保持不变。5、第一次实验结束，将加热器开关切断，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能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。6、实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、实验注意事项1、实验过程中，为保持恒定的q，加热器电流和电压不能变化；c2、计算材料导热系数所需的温差必须是系统进入准稳态时的温差；3、若实验中途失败，须待试件冷却至室温后（4小时以上）才能进行再次实验。3六、实验数据记录和处理室温t：[℃]加热器电流I：[A]0加热器电压U：[V]试件截面尺寸F：0.01[㎡]试件厚度δ：0.01[m]试件材料密度ρ=1200[㎏/m3]热流密度q：[w/㎡]c时间[分]0123456“1”热点温度[℃]“2”时间[分]78910111213“1