1、沈陽建筑大學畢業論文80-400K溫度范圍內150P泡沫玻璃的比熱 容和導熱系數岳丹婷，2,3譚志成，2,4狄友英,2呂欣榮，3孫立賢2摘要泡沫玻璃的低溫比熱容（79-395K）已經用一種精密的自動化熱計量測量出 來。泡沫玻璃的導熱系數（從 243-395K）也實現了用穩定的熱流量計測量。實 驗結果表明，150P下泡沫玻璃的比熱容和導熱系數都與溫度的增長有關。實驗 測得的比熱容（79-395K）被列成了多項式方程：C/J g1 K1=0.6889+0.3332x-0.0578x 2+0.0987x3+0.0521x4-0.0330x 5-0.0629x,這里x= （T/K-273） /158.

2、實驗的比熱容作為溫度的一個根據已經被列成了另一個多項式方程（243-395K）:入/W m1 - K-1= 0.14433+0.00129T-2.834 X 10-6T2+2.18X10-9T3 另外，泡沫玻璃 的熱擴散率可通過比熱容和導熱系數計算，并列成又一個多項式方程：a /m 2 - s-1 = - 1.68285 + 0 .01833T- 5.8489 1X 10-5 T2 + 8.11942 X 10-8T3 -4.24975 X10-11T 4。關鍵詞：始和嫡函數；泡沫玻璃；低溫；比熱容；導熱系數；熱擴散系數。1第七屆亞洲熱物理學特性會議，中國安徽合肥黃山 2004年8月23-28

3、日。2中科院大連物理化學協會熱化學實驗室，中國大連，郵編1160233大連海事大學輪機工程學院，中國大連 ，郵編116023.4來信請發郵箱：tzc1、簡介泡沫玻璃1-3是一種應用在建筑行業上的保溫絕熱材料。它是用廢玻璃和 粉煤灰為最基本材料生產出來的，浮石，碳黑，碳酸鈉作為輔助材料，并加入各 種各樣的添加劑，如氟硅酸鈉，硼酸，六偏磷酸鈉等。它是一種充滿了均勻泡沫 的類似玻璃的材料。泡沫玻璃的生產要經歷一系列的程序，例如原料的混合融化， 發泡，熱處理和在模具里冷卻。泡沫玻璃有穩定性、耐久性、安全、可靠性和抵 抗化學侵蝕方面的優越性，并且不受害蟲的侵害（螞蟻，老鼠，等）。這種材料 是防水的，且具

4、有低密度、高機械強度，高的吸音性能。這種材料已經被廣泛的應用于建筑內部和外墻保溫工程、裝飾工程、石油化工工程，冷藏，和地面工程等領域。使其在絕熱、深冷、地下、露天、易燃、 易潮以及有化學侵蝕等苛刻環境下倍受用戶青睞。被廣泛用于墻體保溫、 石油、化工、機房降噪、高速公路吸音隔離墻、電力、軍工產品等，被用 戶稱之為綠色環保型絕熱材料。除此之外，作為一種建筑材料，許多新的應用 被逐漸發現，并且這種需求正在極大的增長。為了發現泡沫玻璃諸多新性能的這 個目的，材料的熱力學數據，例如在溫度低于400K下的比熱容，熱力學函數（始 和嫡）和導熱系數是迫切需要知道的。.然而，直到現在，這些數據還沒有在文 獻中發

5、布。在目前的研究中，自制的泡沫玻璃低溫比熱容（79-395K）已經用一種精密的自動化熱計量測量出來。泡沫玻璃的導熱系數（從243-395K）也實現了用穩定的熱流量計測量。比熱容被表示成一個多項式函數，用X=（T/ K - 273 ）/ 158表示（溫度范圍79-395K）。導熱系數作為溫度的一個函數被用另一個多項 式函數表示（243-395K）止匕外，150P下泡沫玻璃的熱擴散率的計算是基于比熱 容和導熱系數所建立起來的熱擴散率的多項式方程。2、實驗數據2.1. 樣品表一：主要組成原材料的化學組成這個實驗中用的泡沫玻璃是蘭州鵬飛公司生產過的。主要天然原材料的列在表一中。固體材料主要化學組成（玻

6、璃相）如下：SiO 2 71.7%, Al 2 03 2.8%,（CaO + MgO） 11.5%,Fe 2 O 3 0.2% and other -13.8%.泡沫玻璃的氣泡尺寸是 1-3mm樣品的孑L隙率90% 298.15K時的密度是142Kg - m-32.2. 絕熱量熱法一臺高精密度自動化絕熱量熱器4,5用于測量79-395K范圍內的比熱容。 實驗所用溫度計根據ITS-90臺灣中央研究院的低溫度量衡和尺寸校準。比熱容 測量值被連續不斷自動化的測量出來通過間歇加熱樣品交替測量溫度的方式。 樣 品加熱持續10分鐘，樣品被加熱5min后平衡持續，平衡周期總是維持在（10-3 到10-4）

7、K*min1在熱容獲得期間。每個熱容測量點的升溫速率和溫度升高值通常 是受控制的，分別的（0.1-0.3 ） K*min-1和（1 -3） K。用于熱量測量的樣品塊 重 4.3511g。2.3. 導熱系數的測量一個永恒不變的熱流量計（型號 HFM-MR被用于測量泡沫玻璃的導熱系數，根 據文獻1的方法按照GB 10295 8測量。單面恒定熱流量與存在于大面積平板 相似，立足于統一的平面試樣在導熱系數測量期間。導熱系數測量示意圖：1-測量材料；2-散熱器；3-熱源；4,-熱絕緣體；5-熱流 量傳感器；6-熱電偶。單面恒定熱流通過樣品，冷熱面的溫差（ T）在不變的條件下被測量，樣 品的導熱系數能夠通

8、過公式u=q/zT計算出來。測試裝備如圖1。實驗過程中，散熱器是一個半導體冷卻階段，散熱器的溫 度范圍是-40至IJ+ 20 ?C,溫度誤差控制在土 0.5 ?。熱源是電熱膜，加熱范 圍是20到120?C,試驗中最大誤差是土 0.5 ?C。測試用的泡沫玻璃的尺寸是 140 X 140 X 140 mm3被放置在冷熱源之間，用聚苯乙烯（導熱系數入=0 .02 W - m -1 - K -1 ,遠小于樣品的導熱系數）作為絕熱材料包裹樣品確保單面熱 流量在中心區的存在。四對熱電偶和一個熱流量傳感器被安裝在立方體的上表 面，另外四對固定在立方體的下表面。兩處設置的熱電偶的熱電位用安捷倫 15970 （

9、數據采集的個人電腦）記錄，接下來被用于計算在樣品冷熱面上的溫度。 熱流動密度由熱流量計HFMft定，量程是100- 10000 J m-2;最大測量誤差 是土 0.5% 。溫度范圍是-50 to 1000 ? C;最大誤差是土 0 . 1? C。止匕外,熱流量計被固定在樣品的上表面利用熱傳導硅脂，一個穩定的熱流動便獲得了。通過調節熱源和散熱器的溫度，他們之間的溫差 能夠維持在5-10?C。熱流 量的測試值和平衡溫度每5min被數據采集系統自動收集一次。當預調溫度值偏 差在土 1%之內時，平衡溫度被假定已經達到，結果被記錄。穩定永恒不變的熱流量計已被通過導熱系數測量標準材料證明。 實驗材料導 熱

10、系數的相對偏差（按照美國國家標準技術研究所提供的數據）觀測到在土 0 . 5股內。3.結果與討論3.1. 比熱容123次試驗中，在79-395K的溫度范圍內，比熱容被獲得。所有的試驗結 果在表2中被列出，圖2表示了原料的組成恒定在相同的溫度范圍，沒有相變和熱分解發生。所有的實驗數據（79-395K）依據最小二乘法建立成了對比溫度的 多項式函數：C/J g1 K1=0.6889+0.3332x-0.0578x 2+0.0987x3+0.0521x4-0.0330x 5-0.0629x ,這里 x= （T/K-273） /158.式中的237是從最高極限溫度395K和溫度下限79K之和的一半中獲得

11、的： 158是二者之差的一半。因此，x在-1和+1之間不等。實驗的比熱容相對偏差通 過多項式函數計算，在0.35%之內，除了較下和較上溫度極限之外的點。3.2. 熱力學函數泡沫玻璃的平滑的比熱容和熱力學函數以合適的對比溫度x的熱容量作為根據的多項式方程為基礎，根據以下的熱力學關系：HT - H 298 . 15TCpdT298.15S T - S 298 . 15TCpT -1dT298.15樣品的基本熱力學函數和比熱容的多項式擬合值相對于標準溫度298.15K被制成表格3,5K的間隔。3.3. 泡沫玻璃的導熱系數243-395K溫度范圍內測得的的泡沫玻璃的導熱系數列在表4里，并繪圖在圖3上。

12、測得的導熱系數隨溫度由243-395K的升高單調遞增，同溫度范圍之內 的導熱系數測試值在0.03和0.05 W m -1 K -1之間。導熱系數是低的， 顯示了材料極好的滿足了保溫絕熱性能。泡沫玻璃測定的導熱系數（入）與溫度相對符合依靠最小方塊理論的多項式表三：150P下 泡沫玻璃的熱力學函數實驗測量值的導熱系數的相對偏差在土 0.5%之內。3.4. 熱擴散系數擴散系數根據下面的公式計算出來：a =入 /（ p C p ）相對溫度下的導熱系數圖Table V.下泡沫玻璃的熱擴散系數其中人是實驗的導熱系數測量值，p是泡沫玻璃的密度（g cm3） , C p 是泡沫玻璃的比熱容。計算出的熱擴散系數（a）列在表5里繪成圖4.導出的熱擴 散系數方程式根據給出的溫度：Fig.4.相對溫度下的熱擴散系數圖關聯系數是r2= 0.99方程式是在250-390K范圍內有效。The relative 來 自計算值的平滑測試值的相對偏差在±1%之內。4.結論(a)實驗結論顯示，150P的泡沫玻璃的比熱容和導熱系數隨著溫度在各自的溫 度范圍79-390K和250-390K內隨溫度的升高而單調遞增。(b)泡沫玻璃樣品的導熱系數在233K時定為0.0324 W