YBF-2导热系数测定仪讲义

YBF-2YBF-2 型导热系数测试仪型导热系数测试仪 （实验指导书）（实验指导书） 杭杭州州大大华华仪仪器器制制造造有有限限公公司司 YBFYBF ——2 2 导导 热热 系系数数 测测试试 仪仪 【实验目的】【实验目的】 1．掌握热电偶温度计定标 2．利用物体的散热速率求传热速率 （用稳态平板法测定不良导体的导热系数） 【仪器用具仪器用具】 1．测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表及 PID 控制表） 一台 2．保温杯（或 DH-TD 低温实验仪）一只/台 3．硬铝样品一根 4．橡皮样品一块 5．陶瓷样品一根 6．牛筋样品一块 7．绝缘圆盘一块 8．测片一把 【实验内容】实验内容】 一．对铜—康铜热电偶温度计定标。 二．测量物体在室温～100℃多点的导热系数，画出曲线。 1． 测量不良导体的导热系数。本仪器附橡皮、陶瓷、牛筋等样品供教学测试用。 2． 测量金属的导热系数。本仪器附有硬铝测试样品。 3． 测量空气的导热系数。 【结构特性】结构特性】 （（实验装置装配见装配图）装配图） 在使用中，样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘 P 和圆筒加热盘 A 之间距离和 平整度的。除测量金属样品时不用圆筒固定外，其它如测橡皮和空气的导热系数时，均 需将圆筒的固定轴对准样品支架上的圆孔插入，并用螺母旋紧。具体步骤是：先旋下螺 母，将加热圆筒放下；使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定筒后的紧固 螺钉，从而由三个螺旋测微头来调节平面和待测样品厚度。 【测量范围、精度】测量范围、精度】 1．PID 控制：精度±1℃；最小分辨率 0.1℃ 2．温度测量部分：室温 0～110℃；测量精度：±1℃；温差测量的精度 0.5℃ 3．计时部分：范围 0～100 min；最小分辨率 1S；精度：10-5 4．电压表：精度 0.1% 【实验原理】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 dQ  () Z0dsdt(2-9-1) dz 它表示在 dt 时间内通过 ds 面的热量为 dQ，dT/dz 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 1 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A 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Δ t 时间内，通过面积为 S、厚度为 h 的匀质板的热量 为: T Q  S t (2-9-2) h △T 表示匀质圆板两板面的恒定温差。若把（2-9-2）式写成: QT (2-9-3)  S th 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（2-9-3）式 即可求出λ 。下面我们来求△Q/△t。 实验中，使上铜盘 A 和下铜盘 P 分别达到恒定温度 T 1、T2，并设 T1T2。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 Q  t 部 S部  QS 全  (2-9-4)  t全 A B P图 1 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（2-9-3）式中的导热速率△Q/△t,这样（2-9-3）式便可 写作： T Q 部  S (2-9-5) h t 设下铜盘直径为 D，厚度为δ ，那么有： 2  D S部     D 2 2 (2-9-6)  D S全  2   D 2 由比热容的基本定义 C=Δ Q/m·Δ T′,得Δ Q=cmΔ T′,故 cmT Q 全 (2-9-7) tt  将（2-9-6） 、 （2-9-7）两式代入（2-9-4）式，得： D4Q 部 cmK (2-9-8) t2D4  将（2-9-8）式代入（2-9-5）式得： cmKhD  4  (2-9-9) 1 2 D T 1 T2D  2 2T 式中：K  TT2 t m——下铜盘的质量 c——下铜盘的比热容 【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*102J/к g• ℃ 2．安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜盘上的 小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷 端插在冰水混合物中（或直接接低温实验仪提供冷端的热电偶，并使温度控制在 0℃） 3．根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，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 5 分钟读一下温 度示值，如在一段时间内（如 10 分钟）样品上、下表面温度 T 1、T2 示值都不变，即可 认为已达到稳定状态。记录稳态时 T 1、T2 值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比 T 2 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 T 2 测量数据来求出冷却速率。 在采用 PID 自动控温时，可连续在 50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃时并使 得在各点T 1、T2 值稳定不变（准稳定状态） 。记录稳态时各温点 T 1、T2 值后。照上述方法 移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔 10～20 秒读一次下铜盘的温度示值，并求 50℃、 60℃、70℃、80℃、90℃、100℃时各 T 2 温点的下铜盘冷却速率，代入公式进而测得样 品在以上不同温度下的导热系数。 4 4．．本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差 100℃时，其温差电动势约 4.0mV，故应配 用量程 0～10mV,并能读到 0.01mV 的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器， 故无须调零） 。由于热电偶冷端温度为 0℃,对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围 不大时， 其温差电动势 （mV） 与待测温度 （0℃） 的比值是一个常数。 由此,在用式(2-9-9) 计算