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稳态法导热系数测定实验

第一篇：稳态法导热系数测定实验稳态法导热系数测定实验一、实验目的1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。4、学习用温差热电偶测量温度的方法。5、学习热工仪表的使用方法二、实验原理平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。图1是无限大平板导热示意图。根据傅立叶（Fourier）定律：Tw2yxTQTw1cTTTT()()()xxyyyy（1）在一维无限大平板稳态传热时，方程（1）可简化为：2T02xδ图1无限大平板的稳态导热示意图（2）其边界条件为x=0时，T=Tw1x=δ时，T=Tw2可解得下列方程QA(Tw1Tw2)（3）由式（3）可得QA(Tw1Tw2)（4）式中λ——导热系数，W/m·℃；δ——试件厚度，m；Q——热流量，w；A——试件面积，m2；Tw1——试件下表面温度，℃；Tw2——试件上表面温度，℃。一般情况下，选择平板试件的尺寸要注意满足下列条件：17D~110D式中D——方板的短边长度，m。热流量Q也可以由输入电压和电阻表示为：QU2R式中U——施加在加热板上的电压，V；R——加热板上内部加热电阻丝的电阻，Ω。将式（5）带入式（4）得U2RA(Tw1Tw2)对应此λ的材料温度为TTw1Tw22（5）（6）（7）根据式（7）只要知道试件面积A、电压U、电阻R、厚度δ以及在厚度δ方向上的温度差，便可求出导热系数。三、实验设备实验设备如图2所示。图2平板式稳态法导热仪的总体结构图1.调压器2.铜板3.主加热板4.上均热片5.中均热片6.下均热片7.热电偶8.副加热板9.数据采控系统10.温度仪表11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。“RST”复位键：复位数据，重新选择。控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。四、实验内容1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压（调节调压器），并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。3、对实验结果进行分析与讨论。4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。五、实验步骤1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。2、测量加热板的内部电阻。3、校准热工温度仪表。4、向水箱内注入冷却水。5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。6、在加热功率不变条件下,试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。7、通过数据键输入试样面积、厚度等相关参数，由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数。8、改变电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率件，重复步骤（5至7）测量并记录多个温度下的材料导热系数。9、关掉电源。六、实验要求1、采用精度不低于0.05mm的厚度测量工具(游标卡尺)，沿试样四周测量四处的厚度，取其算术平均值，作为实验前试样厚度。2、用酒精将试件及均热片擦洗干净并晾干，晾干后在其上均匀涂抹导热油。3、用调压器将电压调至一定值，保持不变，经一段时间后，待跟试件上下表面接触的铜片各点温度为一定值时，即导热过程达到稳定后记录各点温度及电热器的电压。4、改变电加热器的电压（调节调压器），即改变电热器热量使之维持在另一个数值上，跟试件上下表面接触的铜片各点温度达到新的稳定状态后，重