實(shí)驗(yàn)一固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠梅€(wěn)態(tài)法測(cè)定出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并與理論值進(jìn)行比較。二、實(shí)驗(yàn)器材TC-3型熱導(dǎo)率測(cè)定儀、橡膠樣品、游標(biāo)卡尺、冰水、硅油、TW-1型物理天平。本實(shí)驗(yàn)采用杭州富陽精科儀器有限公司生產(chǎn)的型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，如圖5.4.1所示。該儀器采用低于的隔離電壓作為加熱電源，安全可靠。發(fā)熱圓盤和散熱圓盤的側(cè)面有一小孔，為放置熱電偶之用。散熱盤放在三個(gè)螺旋頭上，調(diào)節(jié)螺旋頭可使待測(cè)樣品盤B的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱圓盤A和散熱圓盤P緊密接觸。散熱盤下方有一個(gè)軸流式風(fēng)扇，用來快速散熱。兩個(gè)熱電偶的冷端分別插在放有冰水的杜瓦瓶中的兩根玻璃管中。熱端分別插入發(fā)熱圓盤A和散熱圓盤P的側(cè)面小孔內(nèi)。冷、熱端插入時(shí)，涂少量的硅脂，熱電偶的兩個(gè)接線端分別插在儀器面板上的相應(yīng)插座內(nèi)。溫差電動(dòng)勢(shì)用量程為的數(shù)字式電壓表測(cè)量，根據(jù)銅一康銅分度表可將溫差電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值（附錄1）。儀器設(shè)置了數(shù)字計(jì)時(shí)裝置，計(jì)時(shí)范圍，分辯率。設(shè)置了自動(dòng)溫度控制裝置，控制精度，分辨率，供實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱溫度控制用。圖5.4.1TC-3型熱導(dǎo)系數(shù)測(cè)定儀三、實(shí)驗(yàn)原理導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，因此，材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要通過實(shí)驗(yàn)來具體測(cè)定。測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類為動(dòng)態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時(shí)，先用熱源對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測(cè)量。而在動(dòng)態(tài)法中，待測(cè)樣品中的溫度分布是隨時(shí)間變化的，例如按周期性變化等。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直與熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫度分別為，的平行平面（設(shè)〉）。若平面面積均為，在時(shí)間內(nèi)通過面積的熱量滿足式（1）,（5.4.1）式中為熱流量，入即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱作導(dǎo)熱系數(shù)），在數(shù)值上等于相距單位長(zhǎng)度的兩平面的溫度相差1個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是。實(shí)驗(yàn)中待測(cè)樣品盤B兩個(gè)表面與發(fā)熱盤A、散放盤P緊密接觸，發(fā)熱器通電后，熱量從A盤傳到盤，再傳到P盤。由于，盤都是良導(dǎo)體，其溫度即可以代表盤上、下表面的溫度，。，分別由插入，盤邊緣小孔熱電偶來測(cè)量。熱電偶的冷端則浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通過〃傳感器切換〃開關(guān)，切換、盤中的熱電偶與數(shù)字電壓表的連接回路。由式（5.4.1）可以知道，單位時(shí)間內(nèi)通過待測(cè)樣品任一圓截面的熱流量為（5.42）式中為樣品的半徑，為樣品的厚度，當(dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，和的值不變，于是通過盤上表面的熱流量與由銅盤向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速率來求出熱流量。實(shí)驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定時(shí)的和后，即可將盤移去，而使盤的底面與銅盤直接接觸。當(dāng)盤的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的值若干攝氏度后，再將圓盤移開，讓銅盤自然冷卻。觀察其溫度T隨時(shí)間變化情況，然后由此求出銅盤在的冷卻速率，而（5.4.3）式中：為紫銅盤的質(zhì)量，為銅材的比熱容，（5.4.3）式就是紫銅盤在溫度為時(shí)的散熱速率。但要注意，這樣求出的是紫銅盤的全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為（其中分別為紫銅盤的半徑與厚度）。然而，在觀察測(cè)試樣品的穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，盤的上表面（面積為）是被樣品覆蓋著的。考慮到物體的冷卻速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)銅盤散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作如下修正：將式（5.4.4）代入式（5.4.2），得：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟在測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)前應(yīng)先對(duì)散熱盤和待測(cè)樣品的直徑、厚度進(jìn)行測(cè)量。1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品直徑和厚度，各測(cè)5次。2、用游標(biāo)卡尺測(cè)量散熱盤的直徑和厚度，測(cè)5次，按平均值計(jì)算盤的質(zhì)量。用天平稱出盤的質(zhì)量。①不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量a.實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將待測(cè)樣品（例如硅橡膠圓片）放在散熱盤上面，然后將發(fā)熱盤放在樣品盤上方，并用固定螺母固定在機(jī)架上，再調(diào)節(jié)三個(gè)螺旋頭，使樣品盤的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱盤和散熱盤緊密接觸。b.在杜瓦瓶中放入冰水混合物，將熱電偶的冷端（黑色）插入杜瓦瓶中。將熱電偶的熱端（紅色）分別插入加熱盤和散熱盤側(cè)面的小孔中，并分別將其插入加熱盤和散熱盤的熱電偶接線連接到儀器面板的傳感器工、H上。分別用專用導(dǎo)線將儀器機(jī)箱后部分與加熱組件圓鋁板上的插座間加以連接。二接通電源，在〃溫度控制〃儀表上設(shè)置加溫的上限溫度為100℃（具體操作見附錄3）。將加熱選擇開關(guān)由〃斷〃打向“1?3〃任意一檔，此時(shí)指示燈亮，當(dāng)打向“3〃檔時(shí)，加溫速度最快。當(dāng)傳感器I的溫度讀數(shù)為時(shí)，可將開關(guān)打向“2〃或〃1〃檔，降低加熱電壓。d.當(dāng)傳感器工、H的讀數(shù)不再上升時(shí)，說明已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，每隔5分鐘記錄和的值。e.在實(shí)驗(yàn)中，如果需要掌握用直流電位差計(jì)和熱電偶來測(cè)量溫度的內(nèi)容，可將〃傳感器切換〃開關(guān)轉(zhuǎn)至〃外接〃，在〃外接〃兩接線柱上接上型直流電位差計(jì)的〃未知〃端，即可測(cè)量散熱銅盤上熱電偶在溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的電勢(shì)差（具體操作方法見附錄2）f.測(cè)量散熱盤在穩(wěn)態(tài)值附近的散熱速率（）。移開銅盤，取下橡膠盤，并使銅盤的底面與銅盤直接接觸，當(dāng)盤的溫度上升到高于穩(wěn)定態(tài)的值若干度（左右）后，再將銅盤移開，讓銅盤自然冷卻，每隔30秒（或自定）記錄此時(shí)的值。根據(jù)測(cè)量值計(jì)算出散熱速率。②金屬導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量a.將圓柱體金屬鋁棒（廠家提供）上下兩面套上空心隔熱圓盤，置于發(fā)熱圓盤與散熱圓盤之間。b.當(dāng)發(fā)熱盤與散熱盤達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布后，、值為金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤P的溫度為值。因此測(cè)量盤的冷卻速率為：由此得到導(dǎo)熱系數(shù)為測(cè)T3值時(shí)可在、達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將插在發(fā)熱圓盤與散熱圓盤中的熱電偶取出，分別插入金屬圓柱體上的上下兩孔中進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)記錄：銅的比熱，比重。表5.4.1散熱盤質(zhì)量=（g），半徑（cm）12345表5.4.2橡膠盤半徑（）12345表5.4.3穩(wěn)態(tài)時(shí)，的測(cè)量值（轉(zhuǎn)換見附錄2的分度表）=，=12345表5.4.4散熱速率時(shí)間（S）00根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并求出相對(duì)誤差。五、注意事項(xiàng)1、熱電偶的發(fā)熱和散熱圓盤側(cè)面的小孔應(yīng)與杜瓦瓶同一側(cè)，避免熱電偶線相互交叉。2、實(shí)驗(yàn)中，抽出被測(cè)樣品時(shí)，應(yīng)先旋松加熱圓筒側(cè)面的固定螺釘。樣品取出后，小心將加熱圓筒降下，使發(fā)熱盤與散熱盤接觸，防止高溫燙傷。六、思考題1、散熱盤下方的軸流式風(fēng)機(jī)起什么作用？若它不工作時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁M(jìn)行？2、本實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境條件有些什么要求？室溫對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒有影響？3、試定量估計(jì)用溫差電動(dòng)勢(shì)代替溫度所帶來的誤差。[附錄1]表5.4.5銅一xx熱電偶分度表89000.0380.0760.1140.1520.1900.2280.2660.3040.342100.3800.4190.4580.4970.5360.5750.6140.6540.6930.732200.7720.8110.8500.8890.9290.9691.0081.0481.0881.128301.1691.2091.2491.2891.3301.3711.4111.4511.4921.532401.5731.6141.6551.6961.7371.7781.8191.8601.9011.942501.9832.0252.0662.1082.1492.1912.2322.2742.3152.356602.3982.4402.4822.5242.5652.6072.6492.6912.7332.775702.8162.8582.9002.9412.9833.0253.0663.1083.1503.191803.2333.2753.3163.3583.4003.4423.4843.5263.5683.610903.6523.6943.7363.7783.8203.8623.9043.9463.9884.0301004.0724.1154.1574.1994.24.2854.3284.3714.4134.4561104.4994.5434.5874.6314.6744.7074.7514.7954.8394.8831204.527［附錄2］直流電位差計(jì)測(cè)熱電偶溫差電動(dòng)勢(shì)一、熱電偶測(cè)溫原理熱電偶亦稱溫差電偶，是由A、B兩種不同材料的金屬絲的端點(diǎn)彼此緊密接觸而組成的。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)（如圖5.4.2），在回路中就有直流電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，該電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)組成熱電偶的材料一定時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)Ex僅與兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，并且兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關(guān)系式：式中稱為溫差電系數(shù)，對(duì)于不同金屬組成的熱電偶，是不同的，其數(shù)值上等于兩接點(diǎn)溫度差為時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。圖5.4.2兩種材料的A、B接法5.4.3三種材料的A、B、C接法圖5.4.4熱電偶溫度計(jì)示意圖為了測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，就需要在圖5.4.2的回路中接入電位差計(jì)，但測(cè)量?jī)x器的引入不能影響熱電偶原來的性質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差下應(yīng)有的電動(dòng)勢(shì)值。要做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證一定的條件。根據(jù)Volt定律，即在，兩種金屬之間插入第三種金屬C時(shí)，若它與,的兩連接點(diǎn)處于同一溫度（圖5.4.3），則該閉合回路的溫差電動(dòng)勢(shì)與上述只有，兩種金屬組成回路時(shí)的數(shù)值完全相同。所以，我們把，兩根不同化學(xué)成份的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端（工作端）。將另兩端各與銅引線（即第三種金屬。焊接，構(gòu)成兩個(gè)同溫度（）的冷端（自由端）。銅引線與電位差計(jì)相連，這樣就組成一個(gè)熱電偶溫度計(jì)，如圖5.4.4所示。通常將冷端置于冰水混合物中，保持，將熱端置于待測(cè)溫度處，即可測(cè)得相應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度t。熱電偶溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是熱容量小，靈敏度高，反應(yīng)迅速，測(cè)溫范圍廣，還能直接把非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。因此，在自動(dòng)測(cè)溫、自動(dòng)控溫等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。二、測(cè)量步驟1、在型直流電位差計(jì)機(jī)箱底部的電池盒中分別裝入電池。2、將型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀面板上的〃外接〃兩接線柱與〃未知端〃之間用導(dǎo)線連按（注意極性）。3、的量程開關(guān)打向％0.2〃。調(diào)節(jié)〃調(diào)零〃電位器，使檢流計(jì)指零。4、將扳鍵開關(guān)推向〃標(biāo)準(zhǔn)〃位置，調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)〃〃旋鈕，使檢流計(jì)指零（一般稱〃工作電流標(biāo)準(zhǔn)化〃）。5、將扳鍵開關(guān)打向〃未知〃，調(diào)節(jié)步進(jìn)測(cè)量盤和滑線盤，使檢流計(jì)指零，末知電動(dòng)勢(shì)：E=（步進(jìn)盤示值+滑線盤示值）x0.26、在測(cè)量過程中，應(yīng)經(jīng)常使工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，使測(cè)量精確。[附錄3]PID智能溫度控制器該控制器是一種高性能。可靠好的智能型調(diào)節(jié)儀表，廣泛使用于機(jī)械化工、陶瓷、輕工、冶金、熱處理等行業(yè)的溫度、流量、壓力、液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制器面