准稳态法测导热系数和比热.pdf

准稳态法测导热系数和比热--一、实验名称：准稳态法测量不良导体的导热系数和比热二、实验目的：1.了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热原理，并通过快速测量学习掌握该方法；2.掌握使用热电偶测量温度的方法;3.学习使用数字万用表。三、实验原理：1.准稳态法测量原理考虑如图B2－１所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为2R，初始温度为t，现在0平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度q，则qqccc平板各处的温度t(x,)将随加热时间而变化。以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表x达如下：t(x,)2t(x,)qqaccx2t(R,)qt(0,)c0RRxxt(x,0)t图B2－1理想的无限大不良导体平板0式中a/c，为材料的导热系数，为材料的密度，c为材料的比热。可以给出此方程的解为（参见附录）：an22qa1R2R(1)n1nt(x,)tc(x2cosxeR2)（B2－１）022R2R6n1nR考察t(x,)的解析式（B2－１）可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而逐渐变小，直至所占份额可以忽略不计。a定量分析表明，当0.5以后，上述级数求和项可以忽略。这时式（B2－１）可简写成：R2qax2Rt(x,)tc（B2－２）0R2R6这时，在试件中心处（x0）有：qaRt(x,)tc（B2－３）0R6在试件加热面处（xR）有：qaRt(x,)tc（B2－４）0R3a由式（B2－３）和（B2－４）可见，当加热时间满足条件0.5时，在试件中心面和加热R21/9准稳态法测导热系数和比热--准稳态法测导热系数和比热--taq面处温度和加热时间成线性关系，温升速率都为c，此值是一个和材料导热性能和实验条件R有关的常数，此时加热面和中心面间的温度差为：1qRtt(R,)t(0,)c（B2－５）2由式（B2－５）可以看出，此时加热面和中心面间的温度差t和加热时间没有直接关系，保持恒定。系统各处的温度和时间呈线性关系，温升速率也一样，我们称此种状态为准稳态。当系统达到准稳态时，由式（B2－５）得到qRc（B2－6）2t根据式（B2－6），只要测量进入准稳态后加热面和中心面间的温度差t，并由实验条件确定相关参量q和R，则可以得到待测材料的导热系数。c另外在进入准稳态后，由比热的定义和能量守恒关系，可以得到下列关系式：tqcR（B2－7）c比热为：qcc（B2－8）tRt式中为准稳态条件下试件中心面的温升速率（进入准稳态后各点的温升速率是一样的）。由以上分析可以得到结论：只要在上述模型中测量出系统进入准稳态后加热面和中心面间的温度差和中心面的温升速率，即可由式（B2－6）和式（B2－8）得到待测材料的导热系数和比热。2.热电偶温度传感器热电偶结构简单，具有较高的测量准确度，测温X围为－50～1600°C，在温度测量中应用极为广泛。由A、B两种不同的导体两端相互紧密的连接在一起，组成一个闭合回路，如图B2－2（a）所示。当两接点温度不等（T>T）时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电0效应，回路中产生的电动势称为热电势。上述两种不同导体的组合称为热电偶，A、B两种导体称为热电极。两个接点，一个称为工作端TT0(a)(b)(c)图B2－2热电偶原理与接线示意图2/9准稳态法测导热系数和比热--准稳态法测导热系数和比热--或热端（T），测量时将它置于被测温度场中，另一个称为自由端或冷端（T），一般要求测量过程中0恒定在某一温度。理论分析和实践证明热电偶的如下基本定律：热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个接点的温度，而与温度沿热电极的分布以与热电极的尺寸与形状无关（热电极的材质要求均匀）。在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，只要引入的第三导体两端温度一样，则对回路的总热电势没有影响。在实际测温过程中，需要在回路中接入导线和测量仪表，相当于接入第三导体，常采用图B2－2（b）或B2－2（c）的接法。热电偶的输出电压与温度并非线性关系。对于常用的热电偶，其热电势与温度的关系由热电偶特性分度表给出。测量时，若冷端温度为0℃，由测得的电压，通过对应分度表，即可查得所测的温度。若冷端温度不为零度，则通过一定的修正，也可得到温度值。在智能式测量仪表中，将有关参数输入计算程序，则可将测得的热电势直接转换为温度显示。3.ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪简介仪器设计必