实验三 准稳态法测材料的导热性能实验

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1、实验三准稳态法测材料的导热性能实验一、实验目的1.测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。2.掌握使用热电偶测量温差的方法。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，初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿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：时,处，处，方程的解为：式中：τ——时间，s；λ——平板的导热系数，w/m∙℃；——平板的导温系数，m2/s；——，n=1，2，3，……；Fo——傅立叶准则，Fo＝；t

2、0——初始温度,℃；——沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度，w/m2。随着时间τ的延长，F0数变大，上式中级数和项愈小。当F0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，上式变成：（1）由此可见，当F0>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：(2)平板加热面x=δ处为：(3)此两面的温差为：如已知qc和δ，再测出Δt，就可以由式（3）求出导热系数：（4）实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上

3、时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：式中：F——试件的横截面积，m2；C——为试件的比热，J/kg∙℃；ρ——为试件的密度(kg/m3)；——为准稳态时的温升速率(℃/s)。由上式可得比热：实验时，以试件中心处为准。三、实验设备按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示。图2实验装置简图1.试件试件尺寸为100mm×100mm×δ，共四块，尺寸完全相同，δ=10～16mm。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

4、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（4）中的热量qc等于加热器发出热量的0.5倍。4.热电偶利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率，热电偶由0.1㎜的康铜丝制成。实验时，将四个试件整齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器

5、1和2，试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3，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。图3计算机采集测试系统简图四、实验步骤1.用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度δ；用天平测量试件重量。2.按图2和图3放好试件、加热器和热电偶，接好电源。手动测量时，接好热点偶与电位差计及转换开关的导线，计算机采集不用。3.接通测试装置的开关，调节加热器的电压电流至设定值。（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定）。4．打开计算机测试软件，进入“实验过程”界面，在参数设定区设置实验参数。分别输入试件厚度、面积、密度等

6、已知数据。傅立叶准则设定为0.5，采集时间间隔设定为2分钟。设定完毕后开始采集数据。5.经过一段时间后（与所测材料有关，一般为10～20分钟），系统进入准稳态，此时软件显示的傅立叶数应大于0.5，可根据软件采集界面的显示结果记录实验数据。然后关闭测试系统开关中止实验，取下试件及加热器，使加热器在室温下冷却，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。6.实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、数据处理和计算1.初始实验参数记录：室温：[℃]加热器电流I：[A]加热器电压U：[V]试件截面尺寸F：[㎡]试件厚度：[m]试件材料密度：[㎏/m3]2.实验结

7、果记录表序号加热电流热面温度冷面温度热流密度导热系数试件比热根据初始参数和实验数据即可算出导热系数和试件比热，软件自动给出了计算结果。具体计算步骤如下：先求出：热流密度[w/㎡]；根据准稳态时的温差Δt（热面与冷面温度之差）[℃]；准稳态时的温升速率[℃/小时]；即可计算出：导热系数[w/m∙k]；比热[J/㎏∙℃]。