非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測材料的導熱性能一、實驗目的測量絕熱材料（不良導體）的導熱系數(shù)和比熱、掌握其測試原理和方法。二、實驗原理本實驗是根據(jù)第二類邊界條件，無限大平板的導熱問題來設計的。設平板厚度為25,初始溫度為t。，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱（見圖1）。求任何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t（x,r）o導熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：dt(x,T)d2何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t（x,r）o導熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：dt(x,T)d2t{x,r)=a：——dx匯=0時,t=to圖i第二類邊界條件無限大平板

導熱的物理模型x=0處，dt方程的解為：圖）*#-胃+吟-口PE3⑴

式中：T一時間式中：T一時間（S）；式中：T式中：T一時間（S）；入一平板的導熱系數(shù)（w/m?℃）;a一平板的導熱系數(shù)（rr|2/s）;一〃兀n=1,2,3,Fo——傅立葉準則；七一初始溫度（°C）;q1一沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度（w/m2）;隨著時間t的延長，F(xiàn)。數(shù)變大，式（1）中級數(shù)和項愈小。當Fo>0.5時，級數(shù)和項變得很小，可以忽略，式（1）變成：(2)(2)由此可見，當Fo>0.5后，平板各處溫度和時間成線性關系，溫度隨時間變化的速率是常數(shù)，并且到處相同。這種狀態(tài)稱為準穩(wěn)態(tài)。在準態(tài)時，平板中心面x=0處的溫度為：小、,ar1、?。?飛）平板加熱面x=8處為：TOC\o"1-5"\h\z/e、q@MT1、/c、r（d>,r）-r0=——（—7+-）（3）X3此兩面的溫差為：IQ△t=r）-Z（O,r）=--與-2A如已知q,和5,再測出△t,就可以由式（3）求出導熱系數(shù)：

(4)2Ar(4)事實上，無限大平板是無法實現(xiàn)的，實臉總是用有限尺寸的試件。一般可認為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時，兩側散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。根據(jù)勢平衡原理，在準態(tài)時，有下列關系：q『=cFp喙式中：F為試件的橫截面（m?）；C為試件的比熱（J/kg?℃）;P為試件的密度(kg/Y),1200kg/m3;為準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率（°C/s）:由上式可得比熱：實驗時，，以試件中心處為準。三、實驗裝置（圖2）按上述理論及物理模型設計的實驗裝置如圖2所示，說明如下：圖2實驗裝置圖｝試件試件尺寸為200mmX200mmX5,共四塊，尺寸完全相同，S=10mmo每塊試件上下面要平齊，表面要平整。2）加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20Hm，加上保護箔的絕緣薄膜，總共只有70Hm。其電阻值穩(wěn)定，在0700℃范圍內(nèi)幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是200mmX200mm的正方形。兩個加熱器的電阻值應盡量相同，相差應在0.1%以內(nèi)。）絕熱層用導熱系數(shù)比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過，使試件1、4與絕熱層的接觸面接近絕熱。這樣，可假定式（4）中的熱量q。等于加熱器發(fā)出熱量的0.5倍。4）熱電偶運用熱電偶測量試件2兩面的溫度及試件2、3接觸面中心處的溫升速率。實險時，將四個試件齊迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2,試件和加熱器要對齊，溫度傳感器的放置如圖2o四、實驗環(huán)節(jié)（見PC機界面說明）1、用卡尺測量試件的尺寸：面積F和厚度5。2、按圖2放好試件、加熱器和溫度傳感器，接通電源。3、接通電源，給加熱器通以恒定電流，（實驗過程中，電流不允許變化），同時啟動秒表，每隔一分鐘記錄試件2兩側熱電勢（由熱電勢查溫度值），經(jīng)一段時間后（隨所測材料而不同，一般在10-20分鐘）系統(tǒng)進入準穩(wěn)態(tài)。4、第一次實臉結束，將加熱器開關K切斷，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才干繼續(xù)作下一次實臉。但試件不能連續(xù)做實臉，必須通過四小時以上放置，使其冷卻至與室溫平衡后，才干再作下一次實臉。5、實驗所有結束后，必須切斷電源，一切恢復原狀。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和解決試件截面尺寸F:0.2X0.2[m2]試件厚度5:0.01[m]試件材料密度p=12O0[kg/m3]。加熱功率P:[w]Qu圖1第二類邊界條件無限大平板

導熱的物理模型時間[分]0123456熱電勢[mV]1234時間[分]78910111213熱電