非稳态法测材料的导热性能 实验报告

非稳态（准稳态）法测材料的导热性能一、实验目的测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。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2，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, x=0处， 处， 方程的解为： （1）式中：时间(s)； 平板的导热系数(w/m)；平板的导热系数(m2/s)； n=1，2，3，；F0 傅立叶准则； t0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)；随着时间的延长，F0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成： （2）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。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：平板加热面x=处为： （3）此两面的温差为：如已知qc和，再测出t，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为试件的横截面(m2)；C为试件的比热(J/kg)；为试件的密度(kg/m3)，1200 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、实验装置（图2）按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下：1试件试件尺寸为200mm200mm，共四块，尺寸完全相同，=10mm。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，康铜箔厚度仅为20m，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70m。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200mm200mm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2两面的温度及试件2、3接触面中心处的温升速率。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐，温度传感器的放置如图2。 四、实验步骤（见PC机界面说明）1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度。2、按图2放好试件、加热器和温度传感器，接通电源。3、接通电源，给加热器通以恒定电流，（实验过程中，电流不允许变化），同时启动秒表，每隔一分钟记录试件2两侧热电势（由热电势查温度值），经一段时间后（随所测材料而不同，一般在10-20分钟）系统进入准稳态。4、第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。5、实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、实验数据记录和处理试件截面尺寸F：0.20.2 试件厚度：0.01 m试件材料密度=1200 /m3 加热功率P： w时间分0123456热电势mV1234时间分78910111213热电势mV1234 计算：计算热流密度w/ 准稳态时的温差t（平均值） 准稳态时的温升速率 /S 然后，即可计算出试件的导热系数w/mk 和比热cJ/