实验6 FD-TC-B导热系数测定仪
导热系数测定仪产品说明书((精)

C
图1 FD-TC-B导热系数测定仪装臵图(3控制恒温显示分辨率:0.1℃
B.温度传感器DS18B20的结构与技术特性(控温及测量用:
(1温度测量范围:-55℃ — +125℃
(2测温分辨率:0.0625℃
(3引脚排列(如图2所示:
图2
(4封装形式:TO-92
详细应用软硬件请参阅相关资料
由(3式和(7式可得:
22(
2(2222
12P P P P P p B B h R R h R R t m R h ππππθπθθλθθ++∆∆=-= (8
所ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ样品的导热系数λ为: 2211 ( 22( 2(2
B B P P P p R h h R h R t mc πθθθλθθ-++∆∆== (9六、注意事项
(1该测定仪用单片电脑控制,最高控制温度为80C ,读数误差为0.1C。电加
热时加热指示灯闪亮,随着与设定值的接近,闪亮变慢,超过设定温度1C即自动关加热电源,低于设定温度自动开启。
(2加热盘和散热盘侧面两个小孔安装数字式温度传感器,不可插错。近电源开关
的接插件为加热传感器,应插入加热盘上,另一个传感器插在散热盘上的小孔,特别注意插小孔之前涂上少许导热硅脂或者硅油,使其接触良好。
本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器,加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器,读数显示为摄氏度,精度是0.1C
,散热盘测温传感器由另一单片机控制,读数精度也为0.1C
。该仪器结构牢固、测控方便,已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。
二、用途
(1测量不良导体的导热系数,本仪器附有橡皮样品供教学测试用。
导热系数的测量实验报告

导热系数的测量实验报告导热系数是指物质在传导热量过程中的能力,是衡量物质导热性能的重要指标之一。
为了准确测量导热系数,我们进行了一系列的实验,并撰写了本次实验报告。
实验目的:本实验旨在通过测量不同材料的导热系数,了解不同材料的导热性能,并探究影响导热系数的因素。
实验装置与材料:1. 导热系数测量仪器:我们使用了热导仪作为主要测量设备。
该仪器能够通过测量物质导热过程中的温度变化,计算出物质的导热系数。
2. 实验样品:我们选择了几种常见的材料作为实验样品,包括金属、塑料、陶瓷等,以探究不同材料的导热性能。
实验步骤:1. 准备工作:首先,我们对导热仪进行校准,以确保测量结果的准确性。
2. 样品制备:将所选材料制成适当尺寸的样品,以便于安装在导热仪上。
3. 实验操作:将样品依次安装在导热仪上,并设置相应的实验参数。
在每次实验之前,确保样品和仪器表面的温度相等。
4. 数据记录:开始实验后,我们记录下不同时间点样品上的温度变化,并计算出导热系数。
实验结果与分析:通过实验,我们得到了不同材料的导热系数数据,并进行了分析。
结果显示,金属材料的导热系数较高,而塑料材料的导热系数较低。
这是因为金属中的自由电子能够快速传递热量,而塑料中的分子结构较为复杂,导热能力较差。
实验误差与改进:在实验过程中,我们注意到了一些误差因素,例如环境温度的影响、样品表面的不均匀性等。
为了减小误差,我们可以在实验过程中控制好环境温度,并对样品进行均匀加热处理。
实验应用与展望:导热系数的测量在工程领域具有广泛的应用价值。
例如,通过测量建筑材料的导热系数,可以优化建筑的保温性能,提高能源利用效率。
此外,导热系数的研究还可以为材料科学的发展提供参考,促进新材料的研发与应用。
结论:通过本次实验,我们成功测量了不同材料的导热系数,并对其进行了分析。
导热系数是衡量物质导热性能的重要指标,我们的实验结果为相关研究和应用提供了参考。
但是,仍有一些因素可能对实验结果产生影响,需要进一步研究和改进。
导热系数的测量实验报告

导热系数的测量实验报告导热系数的测量实验报告引言:导热系数是描述材料导热性能的重要参数,对于研究材料的热传导特性和应用于热工学、材料科学等领域具有重要意义。
本实验旨在通过测量不同材料的导热系数,探究不同材料的导热性能差异,并对实验结果进行分析和讨论。
实验方法:1. 实验仪器和材料准备:本实验使用的仪器包括导热系数测量仪、热电偶、热电偶接线仪、数字温度计等。
实验所用材料包括铝、铜、铁、玻璃等。
2. 实验步骤:a. 将导热系数测量仪预热至一定温度,使其达到稳定状态。
b. 将待测材料样品放置在测量仪器的传热面上,并保持其表面平整。
c. 记录待测材料样品的初始温度,并启动测量仪器。
d. 根据测量仪器的指示,等待一段时间,直至待测材料样品达到热平衡状态。
e. 记录待测材料样品的最终温度,并停止测量仪器。
实验结果:通过实验测量得到的材料导热系数如下表所示:材料导热系数(W/m·K)铝 205铜 385铁 80玻璃 1.05实验讨论:从实验结果可以看出,不同材料的导热系数存在明显差异。
铜的导热系数最高,达到385 W/m·K,而玻璃的导热系数最低,仅为1.05 W/m·K。
这是因为不同材料的结构和化学成分决定了其导热性能。
对于金属材料,其导热性能优于非金属材料,因为金属的导热机制主要是通过自由电子的传导。
而非金属材料如玻璃,则主要通过分子之间的振动传递热量,导致其导热性能较差。
此外,实验结果还表明不同金属材料的导热系数也存在差异。
铜的导热系数明显高于铝和铁,这是因为铜具有更高的电导率和更低的电阻率,使得其导热性能更好。
铁的导热系数较低,这可能与其晶格结构和杂质含量有关。
实验的不确定性主要来自于测量仪器的精度和待测材料样品的表面状态。
如果样品表面不平整或存在氧化层等影响传热的因素,将会对实验结果产生一定影响。
因此,在进行导热系数测量实验时,需要注意样品的处理和仪器的校准,以提高实验的准确性和可靠性。
导热系数测定仪核查内容方法及评定

导热系数测定仪核查内容方法及评定一、导热系数测定仪核查内容1.温度传感器核查:检查温度传感器的连接情况,确保与测量系统的连接牢固可靠;检查温度传感器的准确性,比较测量结果与标准温度计的读数是否一致。
2.电热丝核查:检查电热丝的连接情况及电热丝是否漏电;检查电热丝的加热性能,确认加热是否均匀、加热速度是否符合要求。
3.温度控制系统核查:对温度控制系统进行调试,检查温度控制系统的准确性和稳定性,确保温度控制精度达到要求。
4.采样装置核查:检查采样装置的密封性和散热性能,确保采样过程中温度变化的准确记录。
5.样品夹具核查:检查样品夹具的尺寸和材质是否符合要求,确保夹具对样品的加热和冷却都能均匀进行。
6.数据记录系统核查:检查数据记录系统的正常运行,确保数据准确记录并能够生成相应的测量报告。
7.安全防护系统核查:检查仪器的安全防护系统,包括过温保护、漏电保护等,保证操作过程中的安全性。
二、导热系数测定仪核查方法1.温度传感器核查:将温度传感器连接到标准温度计上,进行温度比对,比较测量结果的差异。
同时检查传感器的接线,确保没有松动或接触不良。
2.电热丝核查:使用万用表检查电热丝的电阻值,确保没有电阻异常。
使用红外线测温仪检查电热丝加热情况,保证加热均匀。
3.温度控制系统核查:将测温仪器连接到温度控制系统,设置不同温度,观察温度控制系统的反应情况,确保温度控制精度。
4.采样装置核查:将温度传感器放置在采样装置中,进行温度变化测试,检查采样装置的密封性和散热性能。
5.样品夹具核查:检查样品夹具的尺寸和材质是否符合要求,放置标准样品进行加热和冷却,观察样品夹具的加热和冷却情况。
6.数据记录系统核查:将仪器连接到计算机上,进行数据记录测试,确认数据记录系统的正常运行。
7.安全防护系统核查:检查仪器的安全防护系统是否完好,如过温保护是否正常工作等。
三、导热系数测定仪核查评定1.温度传感器核查:核查结果应为测量结果与标准温度计的读数相差不超过设定值的范围。
实验6 FD-TC-B导热系数测定仪

F D —T C —B 导热系数测定仪说明书一、概述导热系数是表征物质热传导性质的物理量。
材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验具体测定。
测量导热系数的方法一般分为两类:一类是稳态法;一类是动态法。
在稳态法中,先利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布,然后进行测量。
在动态法中,待测样品温度分布是随时间变化的。
本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器,FD —TC —B 型是FD —TC —I I 型改进型,加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器,读数显示为摄氏度,精度是0.1℃,散热盘测温传感器由另一单片机控制,读数精度也为0.1℃。
该仪器结构牢固、测控方便,已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。
二、用途(1)测量不良导体的导热系数,本仪器附有橡皮样品供教学测试用。
(2)学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。
(3)学习温度传感器的应用方法。
三、仪器组成与技术指标 1.仪器组成(如图1所示) (1)热源:电热管、加热铜板; (2)样品架:样品支架、样品板;(3)测温部分:单片电脑测温及控制仪。
(4)橡皮样品、导热硅脂(配件) 2.技术指标A 、温控仪与测温仪(1)温度计显示工作温度:0℃一100℃ (2)恒温控制温度:室温一80℃。
(3)控制恒温显示分辨率:O .1℃B 、温度传感器DS18B20的结构与技术特性 (控温及测量用).(1)温度测量范围:-55℃~+125℃ (2)测温分辨率:0.0625℃ (3)引脚排列、(如图2所示):图2(4)封装形式:TO 一9 2 详细应用软硬件请参阅相关资料 C .不良导体导热系数测量 不确定度: ≤l O %图1四、安装步骤(1)取下固定螺丝,将样品放在加热盘与散热盘中间,然后固定;调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,不宜过紧或过松;(2)插好加热板的电源插头;再将2根连接线的一端与机壳相连,另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘的小孔中(注意:要一一对应,不可互换) ;(3)开启电源后,左边表头显示从FDHC →当时温度→b= = · = 其含义是告知用户,请设定控制温度。
导热系数的测量实验报告

导热系数的测量实验报告一、实验目的:1.了解导热系数的概念和定义。
2.掌握导热系数的测量方法。
3.熟悉导热系数的影响因素。
二、实验仪器及材料:1.导热系数测量仪:包括加热装置、温度计、样品支架等。
2.导热系数标准样品:如铜、铝等。
3.测温仪:用于测量样品温度。
三、实验原理及方法:导热系数(thermal conductivity)是指单位时间、单位面积、温度差为1摄氏度时,单位厚度物质所导热量。
常用单位为W/(m·K)。
1.实验原理:根据傅立叶热传导定律,导热系数的计算公式为:λ=Q*(d/(A*ΔT))其中,λ为导热系数,Q为单位时间单位厚度物质所导热量,d为物质厚度,A为传热面积,ΔT为温度差。
2.实验方法:(1)测量导热系数仪的加热功率和样品厚度。
(2)连接加热装置和温度计,将样品放在样品支架上。
(3)将样品置于恒定温度环境下,记录样品初始温度。
(4)通过调节加热功率,使样品温度升高一定值,记录此时的时间。
(5)根据测温仪结果计算出样品的导热系数。
四、实验步骤:1.根据实验原理设置导热系数仪的参数。
2.将所选样品(如铝)放在样品支架上,并记录样品的厚度。
3.连接加热装置和温度计,校准温度计。
4.将样品置于恒定温度环境中,记录样品的初始温度。
5.通过调节加热功率,使样品温度升高一定值(如10℃),记录此时的时间。
6.根据测温仪结果,计算出样品的导热系数。
7.重复2-6步骤,三次测量后取平均值。
五、实验数据及结果:样品:铝厚度:2.5cm初始温度:25℃升温时间:300s根据计算公式,可得到样品的导热系数为:λ=Q*(d/(A*ΔT))=Q*(0.025/(1*10))取三次实验的结果求平均值,最终得到样品铝的导热系数为0.15W/(m·K)。
六、误差分析:1.温度测量误差:由于温度计精度有限,测量结果可能存在误差。
2.加热功率测量误差:加热装置的功率测量也可能存在误差,会影响导热系数测量的准确性。
导热系数测定仪操作规程

导热系数测定仪操作规程一、引言导热系数是一个物质传导热量的能力的指标,它在材料研究和工程设计中具有重要的意义。
为了准确测定材料的导热系数,通常需要使用专门的导热系数测定仪。
本文将详细介绍导热系数测定仪的操作规程,以保证测量结果的准确性和可靠性。
二、仪器准备1.检查导热系数测定仪是否完好,确保所有零部件齐全。
2.清洁所有测量仪器和试样,确保它们没有表面杂质和污渍。
3.连接所有的传感器、控制器和电源,并确保它们处于正常工作状态。
三、试样准备1.根据测量要求,选择合适的试样。
确保试样的几何形状和尺寸满足测量需要。
2.清洁试样表面,并确保其没有划痕或损坏,以防影响测量结果。
3.将试样正确安装在测量仪器上,确保试样与测量平台之间没有间隙。
四、测量操作步骤1.打开导热系数测定仪的电源开关,并根据仪器说明书进行初步设置和校准。
2.根据所需测量温度范围,设置仪器的温度控制器,并将温度传感器放置在试样的适当位置。
3.将试样所在的测量区域与环境隔离,以防止外部因素对测量结果的干扰。
4.启动仪器,开始测量过程。
根据仪器要求,记录试样表面温度、内部温度和所施加的热通量等参数。
5.根据测量仪器的规定时间进行测量,确保稳态条件的达到。
6.根据所测量参数和测量结果,计算得到试样的导热系数。
五、数据处理和分析1.根据测量结果计算试样的导热系数,并进行数据处理和分析。
可以使用适当的软件进行计算和绘图,以展示测量结果的变化趋势。
2.评估测量结果的准确度和可靠性,考虑实验误差和其他不确定因素的影响。
3.比较不同试样或相同试样的不同条件下的导热系数,以分析材料性能的差异和影响因素。
六、安全注意事项1.在操作仪器时,务必遵循安全操作规程,注意电源和高温部件的安全。
2.避免直接接触试样和热源区域,以防烫伤。
3.在使用仪器和操作过程中,注意观察仪器的运行状态和指示灯信号,及时处理异常情况。
七、仪器的日常保养和维护1.定期对导热系数测定仪进行日常保养和维护,包括清洁仪器表面和传感器、校准仪器等。
不良导体的导热系数

实验二 稳态法测量不良导体的导热系数导热系数是表征物质热传导性质的物理量。
材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。
测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。
在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。
而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。
【实验目的】1.学习应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数。
2.学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。
【实验原理】1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。
由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。
设稳态时,样品的上下平面温度分别为1T 、2T ,根据傅立叶传导方程,在t ∆时间内通过样品的热量Q ∆满足下式:12BT T QS t h λ-∆=∆ (1)式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的直径为B d ,则由(1)式得:2124B BT T Qd t h λπ-∆=∆ (2)实验装置如图-1所示,固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 可以借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。
散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ,样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。
导热系数测定仪操作规程

导热系数测定仪操作规程
(一)、手动操作:
接通电源,按下控制柜上“电源”按钮,电源指示灯亮,点动“左开”、“左关”、“右开”、“右关”按钮即可打开或关闭试件装夹装置,以便实验人员安装和拆卸试件。
(二)、微机操作系统:
1.连接好微机系统,接通电源,启动电脑,双击桌面“导热系数”图标进入测试系统启动界面
2.在启动界面点击“退出”退出软件,点击“测试”进入测试主界面
3.在主界面工具栏上选择“系统”下拉列表里面的“数据设定”设定试验的过
程中需要的参数
4. 点击数据设定窗口中“系统”菜单下退出“退出”回到主画面。
5. 点击“测试”菜单下“开始”即进入实验状态.
6.试验结束设备自动停机,自动后台保存试验结果
7. 点击主画面“测试”菜单下“测试报告”即可进入测试报告画面察看试验结果。
导热系数测定仪操作规程

导热系数测定仪操作规程
1、打开炉盖,擦净冷热面半,将试件装入炉体上、下两面(炉体可旋转),盖上炉盖,扣好锁扣,将炉盖上的手柄适当拧紧。
2、将炉体与主控部分用专用电缆连好。
3、接通220V电源,开启电源开关,此时数字显示器为“000000”,仪器进入输入状态。
4、分别输入要求被测试件达到的冷温、热温;试件厚度及当前日期、时间。
每输入一种数据前,先按下相应的功能键,数字显示器显示相应内容,状态显示器上相应指示灯亮。
此时即可用数字键输入数据,最后按下“确认”键确认已输入的数据。
5、数据输入完毕,按下“启动”键,仪器进入测试状态。
此时,数字显示器显示的是累进的实测时间(简称测时),状态显示器上“测时”指示灯亮。
6、分别调节两个转子流量计的旋钮,使两流量计值大于70且一致。
7、在测试状态下,按下键盘的各功能键,显示器显示相应的内容。
8、整个测试过程完成后,自动停机并进入输出状态。
9、进入输出状态后,数字显示器显示导热系数λ值,状态显示器上指示灯全灭,打印与否要看打印机“SEL”指示灯是否亮,指示灯亮表示打印机在线,此时就打印结果,指示灯不亮表示打印机离线,则不打印结果。
10、在按“启动”键启动时,如果设定值有误则数字显示器显示为“Err--×”(其中×为错误代码,见错误代码表),此时应重新输入正确的设定值再启动。
注:以上数字显示器显示说明中“×”表示该位为任意数,“口”表示该位不亮。
导热系数测定仪操作规程

导热系数测定仪操作规程一、安全操作1.操作人员必须戴好防护眼镜和手套,避免溅液和高温烫伤。
2.在操作过程中,禁止随意触摸或擦拭装置以防止意外伤害。
3.定期检查仪器设备的电源线和连接线是否破损。
如有破损,必须立即更换。
4.在使用仪器设备前,必须确保工作区域清洁整洁,并远离易燃材料和化学品。
二、仪器准备1.仪器设备必须放置在水平、稳定的工作台上,并确保四周通风良好。
2.检查导热系数测定仪的外观和内部元件是否完好无损。
3.检查仪器设备的电源是否正常,并按照操作说明书插入电源线。
4.打开仪器设备开关,等待仪器预热至工作温度。
三、样品准备1.准备好待测样品,并确保其尺寸适合仪器设备的测量范围。
2.样品表面必须干净,无灰尘、油污等杂质。
如必要,使用无纯棉纸擦拭样品表面。
3.固态样品需要切割成符合仪器要求的尺寸,液体样品需要用容器装好。
四、测量操作1.将样品放置在对应的测量平台上,确保样品与测量平台接触紧密。
2.打开仪器设备操作面板上的控制开关,并设置合适的测量参数,如温度、时间等。
3.稳定后,记录初始温度和时间,并开始测量导热系数。
4.在测量过程中,注意观察仪器的显示数值,确保测量过程无误。
5.测量结束后,记录终止温度和最终时间,并计算出样品的导热系数。
6.清理测量平台并关闭仪器设备。
五、数据处理1.将测量结果记录在相应的数据表格中,并进行计算。
2.对于多次测量的结果,计算平均值并计算测量的标准偏差。
3.分析测量数据的可靠性,并撰写测量报告。
六、仪器维护1.使用完毕后,及时关闭仪器设备并拔除电源线。
2.清理仪器设备的表面,确保无尘、杂物等污染。
3.检查仪器设备的各部件是否完好,并及时更换损坏的零配件。
4.定期维护仪器设备,包括清洁、校准和润滑等。
以上就是导热系数测定仪操作规程,通过遵守操作规程可以确保测量结果的准确性和可重复性,并保证操作过程的安全性。
TCB型导热系数实验

稳态法测量固体导热系数(TC-3B型固体导热系数测定仪)(集成温度传感器测温)实验讲义杭州精科仪器有限公司固体导热系数的测量导热系数是表征物质热传导性质的物理量。
材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响,因此,材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。
测量导热系数的方法比较多,但可以归并为两类基本方法:一类是稳态法,另一类为动态法。
用稳态法时,先用热源对测试样品进行加热,并在样品内部形成稳定的温度分布,然后进行测量。
而在动态法中,待测样品中的温度分布是随时间变化的,例如按周期性变化等。
本实验采用稳态法进行测量。
【实验目的】1. 用稳态法测定出不良导体的导热系数,并与理论值进行比较。
2. 用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定良导体导热系数存在的缺点。
【实验原理】根据傅立叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为21T ,T 的平行平面(设21T T >),若平面面积均为S ,在t ∆时间内通过面积S 的热量Q ∆满足下述表达式:h)T T (S t Q21-••λ=∆∆ ( 1 ) 式中tQ∆∆为热流量,λ即为该物质的热导率(又称作导热系数),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11K m W --•• 。
本实验仪器如图1所示:在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B (圆盘形的不良导体),再把带发热器的圆铝盘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P ,A 盘都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度1T 、2T ,1T 、2T 分别由插入P ,A 盘边缘小孔铂电阻温度传感器E 来测量。
通过变换温度传感器插入位置,即可改变铂电阻温度传感器的测量目标。
由式(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:2B B21R h )T T (t Q•π•-•λ=∆∆?( 2 )?式中B R 为样品的半径,B h 为样品的厚度,当热传导达到稳定状态时,1T 和2T 的值不变,于是通过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2T 时的散热速率来求出热流量tQ∆∆ 。
稳态法测导热系数实验的应用与研究

第33卷第2期大学物理实验Vol.33No.22020年4月PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEApr.2020收稿日期:2019 ̄11 ̄15基金项目:2019广东省大学物理学及实验教学团队建设项目ꎻ2017嘉应学院大学物理学及实验教学团队建设项目ꎻ2019年基于BIM协同的工程管理专业毕业设计教学探讨与实践项目ꎻ2018年广东省高等教育教学研究和改革项目∗通讯联系人文章编号:1007 ̄2934(2020)02 ̄0082 ̄03稳态法测导热系数实验的应用与研究马银辉ꎬ张灵辉ꎬ卜寿亮ꎬ温建平∗(嘉应学院ꎬ物理与光信息科技学院ꎬ广东梅州㊀514015)摘要:导热系数是反映材料导热能力的重要参数ꎮ文中通过稳态导热系数测量法来测量和研究市场上保暖材质棉和聚酯纤维的导热性能研究棉和聚酯纤维不同含量比值组合复合材质导热性能的差异ꎮ关键词:导热系数ꎻ稳态法ꎻ复合材料中图分类号:TK31文献标志码:ADOI:10.14139/j.cnki.cn22 ̄1228.2020.02.022㊀㊀导热是热能传递中一种基本方式ꎮ导热系数是反映材料导热能力的重要参数ꎬ表示单位温度梯度下的热通量[1 ̄3]ꎮ导热系数测试方法按照热流状态来分ꎬ主要有稳态法与非稳态法ꎬ其中稳态法具有较好的精度和重复性ꎮ通常我们把导热系数较低的材料称为保温材料ꎬ而把导热系数在0.05W/(m K)以下的材料称为高效保温材料ꎮ一般来说ꎬ常把导热系数小于0.2W/(m K)的材料称为保温材料如石棉等材料ꎮ市场上常见保暖服装导热系数主要有棉ꎬ聚酯纤维㊁羽绒等材料ꎮ根据市场常见服装保暖材料ꎬ研究市场认可度较高的两种用于制作保暖衣物材质棉和聚酯纤维ꎬ其中棉材质是天然的保温材质代表ꎬ聚酯纤维是复合材质的保温材质代表ꎮ实验通过分别测试导热系数的大小ꎬ分析比对保暖效果ꎬ通过实验测试验证市场保暖材质的保温性能ꎬ同时对棉㊁聚酯纤维这两种材质按照不同搭配比例测试其导热系数ꎬ找到具有相对保暖效果最佳的棉与聚酯纤维搭配比例[4ꎬ5]ꎮ1㊀稳态法测量导热系数实验原理在稳态法测量导热系数的实验方法中ꎬ先利用热源对样品加热ꎬ样品内部的温差使热量从高温向低温处传导ꎬ样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动ꎻ当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态ꎬ则待测样品内部可能形成稳定的温度分布ꎬ通过研究温度分布得出样品导热系数[6]ꎮ棉和聚酯纤维材质的导热系数ꎬ这两种材料都是属于不良导体ꎬ因此ꎬ实验采用的是复旦天欣FD ̄TC ̄B导热系数测定仪ꎬ如图1ꎬ属于稳态平板法测量材料的导热系数仪器ꎮ实验中ꎬ样品制成平板状ꎬ其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触ꎬ下端面与一均匀散热体相接触ꎮ由于平板样品的侧面积比平板平面小很多ꎬ可以认为热量只沿着上下方向垂直传递ꎬ横向由侧面散去的热量可以忽略不计ꎬ样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度ꎬ在同一平面内ꎬ各处的温度相同ꎮ实验时被测试材料的两表面达到恒定的温度t1㊁t2(t1>t2)ꎬ此时定性温度t=(t1+t2)/2ꎮ当其板厚为d时ꎬ根据傅里叶定律导热系数与热流密度q和两表面温度有关ꎬ进而实现导热系数的测量[7ꎬ8]ꎮ图1㊀FD ̄TC ̄B导热系数测定仪装置图2㊀实验方法实验时ꎬ测量保暖材质绵和聚酯纤维模拟极端温度75ħ和日常温度50ħ时表现出导热性能ꎬ同时测试研究棉和聚酯纤维不同含量比值组合复合材质得导热性能差异ꎮ实验时ꎬ加热盘的温度上升到设定温度值时ꎬ开始记录散热盘的温度ꎬ可每隔一分钟记录一次ꎬ待在10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变已经达到稳定状态了ꎮ接着ꎬ测量散热盘的散热速率ꎮ按复位键并调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好ꎬ设定加热温度ꎬ加快散热盘的温度上升ꎬ使散热盘温度上升到高于稳态时的θ2值20ħ左右即可ꎮ移去加热盘ꎬ让散热圆盘在风扇作用下冷却ꎬ每隔10s(或者30s)记录一次散热盘的温度示值ꎬ由临近θ2值的温度数据中计算冷却速率ΔθΔtθ=θ2ꎮ也可以根据记录数据做冷却曲线ꎬ用镜尺法作曲线在θ2点的切线ꎬ根据切线斜率计算冷却速率ꎮ根据测量得到的稳态时的温度值θ1和θ2ꎬ以及在温度θ2时的冷却速率ꎬ由公式(1)得到样品得导热系数值ꎮλ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)ΔhB(θ1-θ2)1πd2B(1)3㊀实验数据与结果3.1㊀加热温度75ħ时导热系数测量数据游标卡尺和天平测量样品㊁散热铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量ꎬ多次测量㊁然后取平均值ꎮ其中铜板的比热容C=0.385kJ/(K.kg)ꎮ散热盘的平均厚度hP=8.00mmꎻ散热盘的半径:RP=49.00mmꎻ散热盘(下铜板)质量535gꎮ棉和聚酯纤维不同含量比值组合主要有11(棉含量约50%ꎬ聚酯纤维约50%)ꎬ厚度hB=8.05mmꎻ半径:RB=48.95mmꎻ温度控制器温度设定在75ħꎬ使自动控温ꎮ20~40min后(时间长短随被测材料㊁测量温度及环境温度等有所不同)ꎬ待加热铜板温度读数T1稳定后(波动小于0.1ħ)ꎬ每隔2min读取温度示值见下表1ꎬ直到散热铜板温度读数T2也相对稳定(10min内波动小于0.1ħ):表1㊀散热铜板温度读数T1/ħ75.075.075.075.075.075.075.075.075.075.0T2/ħ29.829.929.929.930.030.030.030.030.030.0㊀㊀测量散热铜板在稳态值T2附近的散热速率ꎮ具体步骤是:先移去样品ꎬ调节加热铜板的位置ꎬ与散热铜板对齐ꎬ并良好接触ꎬ对散热铜板加热ꎮ当加热铜板温度比T2高出10ħ左右时ꎬ移开加热铜板ꎬ让散热铜板所有表面均暴露于空气中ꎬ使散热铜板自然冷却ꎮ每隔30s记录的温度示值见下表2ꎮ表2㊀散热盘自然冷却时温度记录t/s0306090120150180210240T2/ħ76.175.274.273.372.471.570.669.868.9图2㊀散热盘冷却曲线取临近T2=71.5ħ的点ꎬ求出冷却速率ΔTΔtT=T2=0.030ħ/Sꎻ实验时ꎬ当测得稳态时的样品上下表面温度θ1=75ħ㊁θ2=30ħꎬ可得:λ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)4hB(θ1-θ2)1πd2B=891.42ˑ10-3ˑ385ˑ0.040ˑ65.00+2ˑ7.662ˑ65.00+2ˑ7.66ˑ4ˑ8.0675-30.0ˑ1πˑ(129.02ˑ10-3)2=0.103W/m K3.2㊀加热温度50ħ时不同复合比例材料导热系数测量数据㊀㊀实验中ꎬ加热铜板温度读数T1稳定50ħ后(波动小于0.1ħ)ꎬ散热铜板温度读数T2也相对38稳态法测导热系数实验的应用与研究稳定(10分钟内波动小于0.1ħ)各个时刻的温度度数ꎬ由数据处理可得:实验时ꎬ当测得稳态时的样品加绒保暖内衣(棉含量约50%ꎬ聚酯纤维约50%)上下表面温度θ1=50ħꎬθ2=26ħꎮλ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)4hB(θ1-θ2)1πd2B=891.42ˑ10-3ˑ385ˑ0.040ˑ65.00+2ˑ7.662ˑ65.00+2ˑ7.66ˑ4ˑ8.0650-26.0ˑ1πˑ(129.02ˑ10-3)2=0.195W/m K实验时ꎬ当测得稳态时的样品加绒保暖内衣(棉含量约:75%ꎬ聚酯纤维含量约:15%)上下表面温度θ1=50ħꎬθ2=26.6ħꎮλ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)4hB(θ1-θ2)1πd2B=891.42ˑ10-3ˑ385ˑ0.040ˑ65.00+2ˑ7.662ˑ65.00+2ˑ7.66ˑ4ˑ8.0650-26.6ˑ1πˑ(129.02ˑ10-3)2=0.200W/m K实验时ꎬ当测得稳态时的样品加绒保暖内衣(棉含量约:90%ꎬ聚酯纤维含量约:10%)上下表面温度θ1=50ħꎬθ2=27.3ħꎮλ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)4hB(θ1-θ2)1πd2B=891.42ˑ10-3ˑ385ˑ0.040ˑ65.00+2ˑ7.662ˑ65.00+2ˑ7.66ˑ4ˑ8.0650-27.3ˑ1πˑ(129.02ˑ10-3)2=0.206W/m K实验时ꎬ当测得稳态时的样品全棉保暖内衣(棉纯度:100%)上下表面温度θ1=50ħꎬ㊀θ2=28.8ħꎮλ=mcΔθΔtθ=θ2(Rp+2hP)(2RP+2hP)4hB(θ1-θ2)1πd2B=891.42ˑ10-3ˑ385ˑ0.040ˑ65.00+2ˑ7.662ˑ65.00+2ˑ7.66ˑ4ˑ8.0650-28.8ˑ1πˑ(129.02ˑ10-3)2=0.221W/m K实验结果表明ꎬ棉㊁聚酯纤维两种材料都具有较好的保温性能ꎬ聚酯纤维含量增加会提高保温功能衣物保温效果ꎮ4㊀结㊀语实验通过分别测试实验测试验证市场保暖材质棉㊁聚酯纤维这两种材质并模拟按照不同搭配比例测试其导热系数ꎬ研究具有相对保暖效果最佳的棉与聚酯纤维搭配比例ꎮ实验结果证明ꎬ棉㊁聚酯纤维两种材料都具有较好的保温性能ꎬ聚酯纤维含量增加会提高保温功能衣物保温效果ꎮ参考文献:[1]㊀孙向荣.不良导体导热系数的测量方法的改进[J].实验技术与管理ꎬ2006ꎬ23(2):35 ̄37.[2]㊀朱亚彬ꎬ成正雄ꎬ刘依真.对不良导体导热系数测量实验的改进[J].大学物理ꎬ2004ꎬ23(4):25 ̄27.[3]㊀孙平ꎬ汪梅芳.对不良导体导热系数测量原理的修正[J].物理与工程ꎬ2001ꎬ11(3):31 ̄33.[4]㊀蒋林华.不良导体导热系数的测定与研究[J].浙江师大学报(自然科学版)ꎬ2001ꎬ24(3):235 ̄238.[5]㊀魏品良.用稳态平板法测定不良导体导热系数的实验研究[J].苏州丝绸工学院学报ꎬ1998ꎬ18(3):57 ̄59.[6]㊀冯毅ꎬ梁满兵.稳态平板导热系数测定仪的误差分析[J]广州化工ꎬ2006ꎬ34(1):56 ̄59.[7]㊀骆敏.利用Excel处理稳态法测定导热系数的实验数据[J].大学物理实验ꎬ2019ꎬ3(8):120 ̄124.[8]㊀于莉莉.强制对流条件下侧面散热对导热系数测量的影响[J].大学物理实验ꎬ2018ꎬ31(3):8 ̄11.ResearchofSteady ̄StateThermalConductivityMeasurementExperimentMAYinhuiꎬZHANGLinghuiꎬBUShouliangꎬWENJianping∗(CollegeofPhysicsandOpticalInformationTechnologyꎬJiayingUniversityꎬMeizhou514015ꎬChina)Abstract:Thermalconductivityisanimportantparameterreflectingthermalconductivityofmaterials.Thesteady ̄statemeasurementmethodisusedtomeasurethethermalconductivityoffunctionalandcompositematerialssuchasthermalinsulationclothingonthemarket.Keywords:guardedhotplatemethodꎻthermalconductivityꎻcompositematerial48稳态法测导热系数实验的应用与研究。
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F D —T C —B 导热系数测定仪说明书一、概述导热系数是表征物质热传导性质的物理量。
材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验具体测定。
测量导热系数的方法一般分为两类:一类是稳态法;一类是动态法。
在稳态法中,先利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布,然后进行测量。
在动态法中,待测样品温度分布是随时间变化的。
本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器,FD —TC —B 型是FD —TC —I I 型改进型,加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器,读数显示为摄氏度,精度是0.1℃,散热盘测温传感器由另一单片机控制,读数精度也为0.1℃。
该仪器结构牢固、测控方便,已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。
二、用途(1)测量不良导体的导热系数,本仪器附有橡皮样品供教学测试用。
(2)学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。
(3)学习温度传感器的应用方法。
三、仪器组成与技术指标 1.仪器组成(如图1所示) (1)热源:电热管、加热铜板; (2)样品架:样品支架、样品板;(3)测温部分:单片电脑测温及控制仪。
(4)橡皮样品、导热硅脂(配件) 2.技术指标A 、温控仪与测温仪(1)温度计显示工作温度:0℃一100℃ (2)恒温控制温度:室温一80℃。
(3)控制恒温显示分辨率:O .1℃B 、温度传感器DS18B20的结构与技术特性 (控温及测量用).(1)温度测量范围:-55℃~+125℃ (2)测温分辨率:0.0625℃ (3)引脚排列、(如图2所示):图2(4)封装形式:TO 一9 2 详细应用软硬件请参阅相关资料 C .不良导体导热系数测量 不确定度: ≤l O %图1四、安装步骤(1)取下固定螺丝,将样品放在加热盘与散热盘中间,然后固定;调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,不宜过紧或过松;(2)插好加热板的电源插头;再将2根连接线的一端与机壳相连,另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘的小孔中(注意:要一一对应,不可互换) ;(3)开启电源后,左边表头显示从FDHC →当时温度→b= = · = 其含义是告知用户,请设定控制温度。
右边表头显示散热盘的测量温度。
五、实验方法(1)设定加热器控制温度:按升温键左边表显示由B00.0可上升到B80.0摄氏度。
一般设定7 5—8 0℃较为适宜。
根据室温选择后,再按确定键,显示变为AX X .X 之值,即表示加热盘此刻的温度值,加热指示灯闪亮,打开电扇开关,仪器开始加热。
(2)加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘的温度,可以每隔一分钟,记录一次,待在1 0分钟内加热盘和散热盘的温度都基本保持不变,可以认为已经达到稳定状态了。
(3)按复位键停止加热,,取走样品,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度到8 O ℃加快加热C 盘的温度上升(按升温键和确定键)使散热盘在原温度上升2 0℃左右即可以了。
(4)移去加热盘,让散热盘在风扇作用下冷却,每隔1 O 秒(或者稍长时间,如2 0秒或者3 0秒)记录该盘的温度。
作散热曲线,计算散热盘的冷却速率。
当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度θ1和θ2不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境的散热量相等。
因此可以通过散热盘P 在稳定温度θ2时的散热速率来求出热流量△Q/△t 。
在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率表达式应作面积修正:()()PPPP P Ph R Rh R R tmctQ ππππθθθ222222++∆∆=∆∆= (7) 其中P R 为散热盘P 的半径,p h 为其厚度。
由(3)式和(7)式可得:(其中B R 为样品盘B 的半径,B h 为其厚度)()()PPPP P PB Bh R Rh R RtmcR h ππππθπθθλθθ222222221++∆∆=-= (8) 所以样品的导热系数λ为:()()()22121222B B P P P P R h h R h R tmcπθθππππθλθθ-++∆∆== (9)六、注意事项(1)该测定仪用单片电脑控制,最高控制温度为80℃,读数误差为0.1℃。
电加热时加热指示灯闪亮,随着与设定值的接近,闪亮变慢,超过设定温度1℃即自动关加热电源,低于设定温度自动开启。
(2)加热盘和散热盘侧面两个小孔安装数字式温度传感器,不可插错。
近电源开关的接插件为加热传感器,应插入加热盘的小孔内,另一个传感器插入散热盘的小孔,特别注意插小孔之前涂上少许导热硅脂或者硅油,使其接触良好。
(3)使用前将加热盘与散热盘及样品的表面擦干净,可以涂上少量硅油或者导热硅脂,以保证接触良好。
在固定安装加热盘、散热盘和样品时三个调节螺丝不宜过紧过松,用力要均匀(手感一致)。
(4)在实验过程中,需移开加热盘时,请先关闭加热电源,移开热圆筒时,手应握固定轴转动,以免烫伤手;实验结束后,切断总电源,保管好测量样品,不要使样品两端面划伤,以至影响实验的精度。
稳态法测量不良导体的导热系数导热系数是表征物质热传导性质的物理量。
材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。
测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。
在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。
而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。
本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。
实验原理1898年C .H .Le e s .首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。
由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。
设稳态时,样品的上下平面温度分别为12θθ,根据傅立叶传导方程,在t ∆时间内通过样品的热量Q ∆满足下式:S h tQ B21θθλ-=∆∆ (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状。
设圆盘样品的直径为B d ,则由(1)式得:2214B Bd h tQ πθθλ-=∆∆ (2)实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 可以借助底座内的风扇,达到稳定有效的散热。
散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ,样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。
当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度1θ和2θ不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等,因此可以通过散热盘P 在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量Q t∆∆。
实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度1θ和2θ后,将样品B 抽去,让加热盘C 与散热盘P 接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的2θ值20℃或者20℃以上后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度θ随时间t 的下降情况,求出散热盘在2θ时的冷却速率2θθθ=∆∆t,则散热盘P 在2θ时的散热速率为:2θθθ=∆∆=∆∆tmctQ (3) 其中m 为散热盘P 的质量,c 为其比热容。
在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正:()()PPPP P Ph R Rh R R tmctQ ππππθθθ222222++∆∆=∆∆= (4) 其中p R 为散热盘P 的半径,p h 为其厚度。
由(2)式和(4)式可得:()()PPPP P PB Bh R Rh R R tmcd h ππππθπθθλθθ2224222212++∆∆=-= (5) 所以样品的导热系数λ为: ()()()221142222B B P P P P d h h R h R tmcπθθθλθθ-++∆∆== (6)实验仪器F D -TC -B 型导热系数测定仪装置如图1.所示,它由电加热器、铜加热盘C 、橡皮样品圆盘B 、铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。
实验内容(1)取下固定螺丝,将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间,橡皮样品要求与加热盘散热盘完全对准;要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。
调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,但注意不宜过紧或过松:(2)按照图1所示,插好加热盘的电源插头;再将2根连接线的一端与机壳相连,另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中,要求传感器完全插入小孔中,并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂,以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。
在安放加热盘和散热盘时,还应注意使放置传感器的孔上下对齐 (注意:加热盘和散热盘两个传感器要一一对应,不可互换)(3)接上导热系数测定仪的电源,开启电源后,左边表头首先显示从FDHC ,然后显示当时温度,当转换至b= = ·=时,用户可以设定控制温度。
设置完成按“确定”键,加热盘即开始加热。
右边显示散热盘的当时温度。
(4)加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘的温度,可每隔一分钟记录一次,待在1 0分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变,可以认为已经达到稳定状态了。
(5)按复位键停止加热,取走样品,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度到80℃,加快散热盘的温度上升,使散热盘温度上升到高于稳态时的2θ值20℃左右即可。
(6)移去加热盘,让散热圆盘在风扇作用下冷却,每隔1 0秒(或者3 0秒)记录一次散热盘的温度示值,由临近2θ值的温度数据中计算冷却速率2t θθθ∆=∆。
也可以根据记录数据做冷却曲线,用镜尺法作曲线在2θ点的切线,根据切线斜率计算冷却速率。
(7)根据测量得到的稳态时的温度值1θ和2θ以及在温度2θ时的冷却速率,由公式 ()()()221142222B B P P P P d h h R h R tmcπθθθλθθ-++∆∆== 计算不良导体样品的导热系数。