非稳态法测材料的导热性能

1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：2,(,(xtaxt时, 00tx=0 处 ， x处， xcqt方程的解为：（1）)exp()cos(2)1(63),( 0220 Fxaqtxt nnnc 式中：时间(s)； 平板的导热系数(w/m )；平板的导热系数(m 2/s)； n=1，2，3，；anF0 傅立叶准 则； t0初始温度()；2沿 x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m 2)；cq随着时间 的延长，F 0 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）)62(),(0xaqtxtc2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：021(,)()6cqatt平板加热面 x=处为：（3）)31(),(20aqttc此两面的温差为： cqtt21),0(,如已知 qc 和 ，再测出 t，就可以由式（3）求出导热系数：（4）tc2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： dtCFqc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/m 3)；为准稳态时的温升速率(/s)；dt由上式可得比热： dtqcc实验时， 以试件中心处为准。dt3三、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 120mm×120mm×，共四 块，尺寸完全相同，=10.5mm。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 120×120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）温度传感器利用温度传感器测量试件 2 两面的温差及试件 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 件和加热器要对其，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。43、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：0.12×0.12 试件厚度 ：0.0105 m试件材料密度 =1200 /m 3 加热功率 P： w时间 分 0 1 2 3 4 5 6“1”热点温度 “2”时间 分 7 8 9 10 11 12 13“1”热点温度 “2”计算：计算热流密度 w/cq准稳态时的温差 t（平均值）准稳态时的温升速率 /Sdt然后，即可计算出试件的导热系数 w/mk 和比热 cJ/