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        “穩(wěn)態(tài)對比法”測量不良導體的導熱系數(shù)

        2012-02-01 03:34:18金憶凡吉唯峰喬衛(wèi)平黃學東孫存英
        物理實驗 2012年1期
        關鍵詞:測量實驗

        金憶凡,吉唯峰,喬衛(wèi)平,黃學東,孫存英

        (上海交通大學物理系,上海200240)

        1 引 言

        不良導體材料是生產(chǎn)生活中應用廣泛的保溫隔熱材料,而導熱系數(shù)是表征不良導體導熱性能的特征物理量,工業(yè)上普遍采用穩(wěn)態(tài)法測量不良導體的導熱系數(shù).在大學物理實驗中,通常開設“閃光法測量不良導體導熱系數(shù)”以及“用穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數(shù)[1-2]”實驗.本文以穩(wěn)態(tài)法的實驗裝置為基礎,利用對比法,即將待測樣品和標準樣品在同樣的環(huán)境下進行測量,在保證散熱盤散熱溫度相同因而散熱過程相同的條件下,當達到熱平衡時,讀取加熱盤及散熱盤的電動勢,直接根據(jù)傅里葉導熱方程及標準樣品的導熱系數(shù),獲得待測樣品導熱系數(shù).和原穩(wěn)態(tài)法相比,該方法可以避免因考慮散熱問題而引入的各項誤差,操作簡便,重復性好,結果可靠.

        2 理論依據(jù)及實驗裝置

        傅里葉導熱方程的表達式為

        式中:λ為不良導體的導熱系數(shù),S為不良導體截面積,h為厚度,T1與T2分別為導熱穩(wěn)定時不良導體兩表面的溫度.ΔQ為在時間Δt內(nèi)流過不良導體的熱量.穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數(shù)的實驗裝置如圖1所示.

        圖1 實驗裝置圖

        當樣品或標樣處于熱平衡時,如果它們的散熱盤的溫度相同,則散熱盤的散熱速率相同,即樣品和標樣導熱速率也相同,對相同厚度和面積的樣品B和標樣M,根據(jù)傅里葉導熱方程,有

        測溫使用康銅溫差電偶,在線性范圍內(nèi),其溫差電動勢U與對應待測溫度的比值為一常量.因而有關系式

        3 導熱系數(shù)的測量及結果

        測量所用樣品的參量如下:玻璃,直徑為130.14mm,厚度為8.00mm;橡膠,直徑為130.14mm,厚度為8.00mm.

        測量時將樣品B(橡膠)置于加熱盤與散熱盤之間,打開電燈,保持電燈的功率不變,電燈就是恒定熱源.當系統(tǒng)達熱平衡時,溫差電偶測溫器1和2的電動勢值為恒定值,記為U1B和U2B,且U1B>U2B.測量結束將標樣M(玻璃)換上,控制電燈功率大小使其在熱平衡時U2M=U2B.記下U1M和U2M.多次測量結果如表1~2所示,室溫均為21℃.

        表1 測量數(shù)據(jù)(橡膠)

        表2 測量數(shù)據(jù)(玻璃)

        兩材料的數(shù)據(jù)中均有U2B=U2M=1.69mV,且當橡膠處于U2B=1.69mV時U1B均為2.05mV,玻璃U2M=1.69時,U1M也均為1.80 mV,可見實驗重復性好.將實驗數(shù)據(jù)代入式(2),則橡膠對于玻璃的導熱系數(shù)之比為

        代入玻璃的導熱系數(shù)0.76W/(m·℃),即可求得橡膠的導熱系數(shù)0.23W/(m·℃).該值在0.15~0.27W/(m·℃)參考值范圍內(nèi).

        4 結束語

        在實驗時,由于環(huán)境溫度其實在緩慢增加,所以示數(shù)維持5min以上看作系統(tǒng)處于熱平衡.本實驗的計算過程簡單并可以不處理散熱的具體問題,方法簡單,結果可靠,重復性好.

        [1] 朱肖平.穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)裝置的改進與實驗數(shù)值計算方法研究[J].實驗技術與管理,2009,26(11):61-63.

        [2] 喬衛(wèi)平.實驗“不良導體導熱系數(shù)的測量”計算方法的改進[J].大學物理實驗,2005,18(3):19-24.

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