导热系数实验
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实验四、绝热材料导热系数测量
一、实验目的
用稳态平板法测定绝热材料导热系数。 二、实验仪器
1.导热系数测定仪(含实验装置、数字电压表、数字秒表) 一台 2.杜瓦瓶 一只 3.橡皮、电木、牛筋样品 各一块 三、实验内容
测量绝热材料导热系数。
四、实验原理
导热是物体相互接触时,由高温部分向低温部分传播热量的过程,当温度的变化只是沿着一个方向(设Z 方向)进行的时候,热传导的基本公式可写为:
dt ds dz
dT
dQ Z ⋅-=0)(
λ (1) 它表示在dt 时间内通过ds 面的热量为dQ ,dT/dz 为温度梯度,λ为导热系数,它的大小由物体本身的物理性质决定,单位为w/(m •k),它是表征物质导热性能大小的物理量,式中负号表示热量传递向着降低的方向进行。
在图一中,B 为待测物,它的上下表面分别和上下铜盘接触,热量由高温铜盘通过待测物B 向低温铜盘传递,若B 很薄,则通过B 侧面向周围环境的散热量可以忽略不计,视热量沿着垂直待测圆板B 的方向传递,那么,在稳定导热(即温度场中各点的温度不随时间而变)的情况下,在Δt 时间内,通过面积为S 、厚度为h 的匀质板的热量为
t S h
T
Q ∆⋅∆-=∆λ
(2) △T 表示匀质圆板两板两板面的恒定温差。若把(2)式写成
S h
T
t Q ∆-=∆∆λ (3) 的形式,那么△Q /△t 。便为待测物的导热速率。只要知道了导热速率,由(3)式即可求出λ。
实验中,使上铜盘A 和下铜盘P 分别达到恒定温度T 1、T 2,并设T 1> T 2,即热量由上而下传递,通过下铜盘P 向周围散热。因为T 1和T 2不变,所以,通过B 的热量就等于P 向周围散发的热量,即B 的导热速率等于P 的散热速率,因此,只要求出了P 在温度T 2时的散热速率,就求出了B 的导热速率△Q /△t 。
因为P 的上表面和B 的下表面接触,所以P 的散热面积只有下表面面积和侧面积之和,
设为S 部。而实验中冷却曲线P 是全部裸露于空气中测出来的,即在P 的下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。设其全部表面积为S 全,根据散热速率与散热面积成正比的关系得
全部
全
部S S t Q t Q =
⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆⎪⎭⎫
⎝⎛∆∆ (4)
S h T t Q ∙∆-=⎪⎭
⎫
⎝⎛∆∆λ部 式中:(△Q /△t )部为S 部面积的散热速率;(△Q /△t )全 为S 全面积的散热速率。而散热速率(△Q /△t )部就等于(3)式中的导热速率△Q /△t,这样(3)式便可写作:
S h T t Q ∙∆-=⎪
⎭
⎫ ⎝⎛∆∆λ部 (5) 设下铜盘直径为D ,厚度为δ,那么有
δ
ππδ
ππD D S D D S +⎪⎭
⎫
⎝⎛=+⎪⎭⎫
⎝⎛=2
2
222全部 (6)
由比热容的基本定义C=ΔQ/m ·ΔT ′,得ΔQ=cm ΔT ′,故
t T cm t Q ∆∆=
⎪⎭
⎫
⎝⎛∆∆'
全 (7) 将(6)、(7)两式代入(4)式,得
cmK D D t Q δδ424++=⎪
⎭
⎫
⎝⎛∆∆部 (8) 将(8)式代入(5)式得
图一
()()()δπδλ22
14212
+-+-=
D T T D D cmKh (9)
式中:m ——下铜盘的质量; c ——下铜盘的比热容。 五、实验步骤
1.用游标卡尺多次测量下铜盘的直径D 、厚度δ和待测物厚度L ,然后取平均值。下铜盘的质量m 由天平称出,其比热容C=3.805*102
J/кg •℃
2.安置圆筒、圆盘,并将2热电偶热端分别插入上下铜盘小孔。为使热电偶测温端与
铜盘接触良好,需要抹上些导热硅胶,并插到洞孔底部。热电偶冷端浸入冰水混合物中。
3.根据稳态法,必须等温度分布稳定,才可以读数。这就要等待较长的时间。为了提高效率,可先将电源电压打到高档,加热约20分钟后再打至低档。然后,每隔2分钟观察一下温度示值,如在一段时间内(如10分钟)样品上、下表面温度T 1、T 2示值都不变,即可认为已达到稳定状态。记录稳态时T 1、T 2值。
电压表(
4.记录稳态时T1、T2值后,移去样品,再加热,当下铜盘温度比T2高出10℃左右时,移去圆筒,让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值,最后选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率。
5.本实验选用铜康热电偶测温度,其温度与电动势的关系见铜—康铜热电偶分度表。我们可以通过测量热电偶两端的电动势得到温差。所使用的数字电压表集成在了仪器上。
六、实验注意事项
1.在做稳态法时,要使温度稳定约要1个小时左右,自行设计得到平衡的试验方案,但必须保证温度稳定10分钟以上才能读数T1和T2。
2.操作时避免烫伤,同时应保持环境条件的恒定,尤其保证T1、T2值测量和下铜盘散热速率测量时的环境条件相同。
3.样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸,应用游标尺、千分尺多次测量取平均值。散热盘的质量m约1㎏,用天平称量。
4.本实验选用铜—康铜热电偶,建议T1设定为60℃。
5. 本实验要求使用手动温度控制。
七、仪器维护与保养
1.使用前将加热盘与散热盘面擦干净,将样品两端面擦净,以保证接触良好。
2.在实验过程中,如若移开电热板,请先关闭电源。注意不要烫伤手。
3.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,以至影响实验的精度。