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  lyxbbwan 2017-09-10 12:59:42

  【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1．用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定不良導(dǎo)熱體橡膠的熱導(dǎo)率，并與公認(rèn)值進(jìn)行比較； 2．初步學(xué)習(xí)用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。 【實(shí)驗(yàn)原理】 測(cè)量熱導(dǎo)率的方法比較多，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)垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫度分別為T1和T2（設(shè)T1 ＞T2 ）的平行平面，若平面面積均為ΔS，則在Δt時(shí)間內(nèi)通過面積ΔS的熱量ΔQ滿足下述表達(dá)式： （13-1） 式中 即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率，也稱導(dǎo)熱系數(shù)。由此可知，熱導(dǎo)率是一個(gè)表示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量，其數(shù)值等于兩相距單位長(zhǎng)度的平行平面上、當(dāng)溫度相差一個(gè)單位時(shí)、在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積所流過的熱量，其單位為W/mK。材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)多寡對(duì)熱導(dǎo)率都有明顯的影響；同時(shí)，熱導(dǎo)率一般隨溫度而變化，所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)材料成份、溫度等都要一并記錄。 我們這里使用的TC-3型熱導(dǎo)率測(cè)定儀，就是采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體、金屬、空氣等多種材料熱導(dǎo)率的一體化實(shí)驗(yàn)儀器，由五大部分組成（具體結(jié)構(gòu)如圖13-1所示）： （1）加熱源：電熱管加熱銅板； （2）測(cè)試樣品支架：支架、樣品板，散熱銅板、風(fēng)扇； （3）測(cè)溫部分：熱電偶，數(shù)字式毫伏表，杜瓦瓶； （4）數(shù)字計(jì)時(shí)裝置：計(jì)時(shí)范圍166分鐘，分辨率0.1秒； （5）PID自動(dòng)溫度控制裝置：控制精度 ，分辨率 。 在支架上先放上圓銅盤B，在B的上面放上待測(cè)樣品C（圓盤形的不良導(dǎo)體），再把帶發(fā)熱器的圓銅盤A放在C上。發(fā)熱器通電后，熱量從A盤傳到C盤，再傳到B盤，由于A、B盤都是良導(dǎo)體，其溫度即可以代表C盤上、下表面的溫度T1和T2，T1 、T2分別由插入A、B盤邊緣小孔的熱電偶I來測(cè)量，熱電偶的冷端則浸在杜瓦瓶G中的冰水混合物中，通過傳感器切換開關(guān)KI切換A、B盤中的熱電偶II、III與數(shù)字電壓表F的連接回路。由式（13-1）可以知道，單位時(shí)間內(nèi)通過待測(cè)樣品C任一圓截面的熱流量 為 （13-2） 式中Rc為樣品的半徑，hc為樣品的厚度。當(dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，T1和T2的值不變， 于是通過樣品盤C上表面的熱流量與由散熱銅盤B向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤B在穩(wěn)定溫度T2 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T1、T2后，即可將C盤移去，而使盤A的底面與銅盤B直接接觸。當(dāng)盤B的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的值T2若干攝氏度或（0.2mV）后，再將圓盤A移開，讓銅盤B自然冷卻。觀察其溫度T2隨時(shí)間t變化情況，然后由此求出銅盤B在T2 的冷卻速率 ，而 (mB為紫銅盤B的質(zhì)量，c為銅材的比熱容)，就是紫銅盤B在溫度為T2 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RB與hB分別為紫銅盤B的半徑與厚度）。然而，在觀察測(cè)試樣品C的穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，B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B散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作如下修正： （13-3） 將式（13-3）代入式（13-2），得 （13-4） 【實(shí)驗(yàn)儀器】 TC-3型熱導(dǎo)率測(cè)定儀，橡膠樣品， TW-1型物理天平，游標(biāo)卡尺，冰水，硅油。 使用注意： （1）使用前將加熱銅板A與散熱銅板B擦干凈，樣品兩端面擦干凈后，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。 （2）實(shí)驗(yàn)過程中，如需觸及電熱板，應(yīng)先關(guān)閉電源，以免燙傷。 （3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)切斷電源，妥為放置測(cè)量樣品，不要使樣品兩端面劃傷而影響實(shí)驗(yàn)的正確性。 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 在測(cè)量熱導(dǎo)率前應(yīng)先對(duì)散熱盤B和待測(cè)樣品盤C的直徑、厚度進(jìn)行測(cè)量。 1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品盤C直徑和厚度，各測(cè)1次。 2、用游標(biāo)卡尺測(cè)量散熱盤B的直徑和厚度，各測(cè)1次，計(jì)算B盤的質(zhì)量，也可直接用天平稱出B盤的質(zhì)量。 一、不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量 1．把橡膠盤C放入加熱盤A和散熱盤B之間，用三個(gè)螺旋頭E夾緊（擰去固定軸H不用）。 2．在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，將兩熱電偶I的冷端（兩條黑線）插入杜瓦瓶中，熱電偶的熱端（兩條紅線）分別插入加熱盤A和散熱盤B側(cè)面的小孔中，并將其溫差電動(dòng)勢(shì)輸出的插頭分別插到儀器面板的傳感器插座II和III上，如圖13-2所示。 注意： （1）園筒發(fā)熱體盤A側(cè)面和散熱盤B的側(cè)面，都有供安插熱電偶I的小孔，安放發(fā)熱盤A時(shí)此兩小孔都應(yīng)與杜瓦瓶在同一側(cè)，以免路線錯(cuò)亂。熱電偶插入小孔時(shí)，要抹上一些硅油，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端插入浸于冰水中的細(xì)玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)也要灌入適當(dāng)?shù)墓栌汀? （2）本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶，溫差100℃時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)約4.2mV。 3．測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度T1和T2的數(shù)值。接通電源，打開電扇開關(guān)KB（使散熱盤有效、穩(wěn)定地散熱），將“溫度控制PID”儀表上設(shè)置加溫的上限溫度（ ），加熱器開關(guān)KA打到高熱（Ⅲ）檔，當(dāng)傳感器II的溫度T1約為4mV左右時(shí)，再將加熱開關(guān)KA置于“Ⅱ”或“Ⅰ”檔，降低加熱電壓。使加熱盤A和散熱盤B逐步達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布（約需40分鐘時(shí)間）。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，每隔3分鐘記錄VT1和VT2的值。 注意：當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，VT1和VT2的數(shù)值在10分鐘內(nèi)的變化小于0.03毫伏，或VT2的數(shù)值在10分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，約需40分鐘時(shí)間。 說明：對(duì)一般熱電偶來說，溫度變化范圍不太大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)mV值與待測(cè)溫度值的比是一個(gè)常數(shù)，因此，在用公式（13-4）計(jì)算熱導(dǎo)率時(shí)，可以直接用溫差電動(dòng)勢(shì)值取代溫度值。 4．測(cè)量散熱盤B在溫度穩(wěn)態(tài)值T2附近的散熱速率 。移開圓盤A，取下橡膠盤C，并使圓盤A的底面與銅盤B直接接觸，當(dāng)盤B的溫度上升到高于穩(wěn)定態(tài)的值T2若干度（0.2mV左右）后，關(guān)掉加熱器開關(guān)KA（電扇仍處于工作狀態(tài)），將A盤移開（注意：此時(shí)橡膠盤C不再放上），讓銅盤B自然冷卻，記錄T2共約6～8次，每隔30秒一次（注意：記錄的數(shù)據(jù)必須保證溫度穩(wěn)態(tài)值T2在其測(cè)量范圍以內(nèi)）。 5．關(guān)掉電扇開關(guān)KB和電源開關(guān)KF。 二、金屬熱導(dǎo)率的測(cè)量（選做） 1、將圓柱體金屬鋁棒（廠家提供）置于發(fā)熱圓盤與散熱圓盤之間。 2、在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，將兩熱電偶I的冷端（兩條黑線）插入杜瓦瓶中，熱電偶的熱端（兩條紅線）分別插入分別插入金屬圓柱體上的上下兩孔中，并將其溫差電動(dòng)勢(shì)輸出的插頭分別插到儀器面板的傳感器插座II和III上。 3、當(dāng)發(fā)熱盤與散熱盤達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布后，T1、T2值為金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤B的溫度為T2值。因此測(cè)量B盤的冷卻速度為： 由此得到熱導(dǎo)率為 4、測(cè)量散熱盤B在溫度穩(wěn)態(tài)值T2附近的散熱速率 。移開圓盤A，取下金屬圓柱體C，并使圓盤A的底面與銅盤B直接接觸，當(dāng)盤B的溫度上升到高于金屬圓柱體上的下表面的穩(wěn)定態(tài)值T2若干度（0.2mV左右）后，關(guān)掉加熱器開關(guān)KA（電扇仍處于工作狀態(tài)），將A盤移開（注意：此時(shí)金屬圓柱體C不再放上），讓銅盤B自然冷卻，記錄T2共約6～8次，每隔30秒一次（注意：記錄的數(shù)據(jù)必須保證溫度穩(wěn)態(tài)值T2在其測(cè)量范圍以內(nèi)）。 三、空氣熱導(dǎo)率的測(cè)量（選做） 當(dāng)測(cè)量空氣的熱導(dǎo)率時(shí)，通過調(diào)節(jié)三個(gè)螺旋頭，使發(fā)熱圓盤與散熱圓盤的距離為h，并用塞尺進(jìn)行測(cè)量（即塞尺的厚度），此距離即為待測(cè)空氣層的厚度。注意：由于存在空氣對(duì)流，所以此距離不宜過大。 【數(shù)據(jù)處理】 1．基本數(shù)據(jù) 銅的比熱容c = 385.06J/（Kg·K） 室溫t = ± ℃， (1)散熱盤B 直徑2RB = ± mm， 半徑RB = ± mm， 厚度 hB = ± mm， 質(zhì)量mB= ± g (2)橡膠盤C 直徑2RC = ± mm， 半徑RC = ± mm， 厚度 hC= ± mm 2．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （1）穩(wěn)態(tài)時(shí)T1、T2的數(shù)據(jù)（每隔3分鐘記錄） i 1 2 3 4 5 平均 T1（mV） T2（mV） （2）散熱速率 t（s） 0 30 60 90 120 150 180 (mV/s) T2（mV） 3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率 。[硅橡膠的熱導(dǎo)率由于材料的特性不同，范圍為0.072W/（m·K）~0.165W/（m·K），本實(shí)驗(yàn)給出的硅橡膠熱導(dǎo)率在285K (12℃)左右時(shí)為 =0.165W/（m·K），鋁合金熱導(dǎo)率的理論參考值為130~150 W/（m·K）]求出百分差。 附錄 銅—康銅熱電偶分度表 溫度 (℃) 熱電勢(shì)（mV） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.000 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195. 0.234 0.273 0.312 0.351 10 0.391 0.430 0.470 0.510 0.549 0.589 0.629 0.669 0.709 0.749 20 0.789 0.830 0.870 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.155 30 1.196 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 40 1.611 1.653 1.695 1.738 1.780 1.882 1.865 1.907 1.950 1.992 50 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.250 2.294 2.337 2.380 2.424 60 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 70 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 30131 3.176 3.221 3.266 2.312 80 3.357 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.630 3.676 3.721 3.767 90 3.813 3.859 3.906 3.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231 100 4.277 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701 110 4.749 4.796 4.844 4.891 4.939 4.987 5.035 5.083 5.131 5.179 【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。 （4）分析本實(shí)驗(yàn)的主要誤差。 http://61.153.216.111/ggsyzx/wlsyzx/uploadfile/%B9%CC%CC%E5%C8%C8%B5%BC%C2%CA%B5%C4%B2%E2%C1%BF.htm 這里面有很詳細(xì)的資料

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