1、1、 實驗目的：1. 了解準穩態法測量不良導體的導熱系數和比熱原理，并通過快速測量學習掌握該方法；2. 掌握使用熱電偶測量溫度的方法;3. 學習使用數字萬用表。三、實驗原理：RRxqcqcqcqc圖B21理想的無限大不良導體平板1. 準穩態法測量原理考慮如圖B2所示的一維無限大導熱模型：一無限大不良導體平板厚度為，初始溫度為，現在平板兩側同時施加均勻的指向中心面的熱流密度，則平板各處的溫度將隨加熱時間而變化。以試樣中心為坐標原點，上述模型的數學描述可表達如下：式中，為材料的導熱系數，為材料的密度，c為材料的比熱。可以給出此方程的解為（參見附錄）：（B2）考察的解析式（B2）可以看到，隨加熱時間

2、的增加，樣品各處的溫度將發生變化，而且我們注意到式中的級數求和項由于指數衰減的原因，會隨加熱時間的增加而逐漸變小，直至所占份額可以忽略不計。定量分析表明，當以后，上述級數求和項可以忽略。這時式（B2）可簡寫成： （B2）這時，在試件中心處（）有： （B2）在試件加熱面處（）有： （B2）由式（B2）和（B2）可見，當加熱時間滿足條件時，在試件中心面和加熱面處溫度和加熱時間成線性關系，溫升速率都為，此值是一個和材料導熱性能和實驗條件有關的常數，此時加熱面和中心面間的溫度差為： （B2）由式（B2）可以看出，此時加熱面和中心面間的溫度差和加熱時間沒有直接關系，保持恒定。系統各處的溫度和時間呈線性關

3、系，溫升速率也相同，我們稱此種狀態為準穩態。當系統達到準穩態時，由式（B2）得到 （B26）根據式（B26），只要測量進入準穩態后加熱面和中心面間的溫度差，并由實驗條件確定相關參量和，則可以得到待測材料的導熱系數。另外在進入準穩態后，由比熱的定義和能量守恒關系，可以得到下列關系式： （B27）比熱為： （B28）式中為準穩態條件下試件中心面的溫升速率（進入準穩態后各點的溫升速率是相同的）。由以上分析可以得到結論：只要在上述模型中測量出系統進入準穩態后加熱面和中心面間的溫度差和中心面的溫升速率，即可由式（B26）和式（B28）得到待測材料的導熱系數和比熱。2. 熱電偶溫度傳感器熱電偶結構簡單，具

4、有較高的測量準確度，測溫范圍為501600°C，在溫度測量中應用極為廣泛。由A、B兩種不同的導體兩端相互緊密的連接在一起，組成一個閉合回路，如圖B22（a）所示。當兩接點溫度不等（T>T0）時，回路中就會產生電動勢，從而形成電流，這一現象稱為熱電效應，回路中產生的電動勢稱為熱電勢。圖B22熱電偶原理及接線示意圖 (a) TT0(b)(c)上述兩種不同導體的組合稱為熱電偶，A、B兩種導體稱為熱電極。兩個接點，一個稱為工作端或熱端（T），測量時將它置于被測溫度場中，另一個稱為自由端或冷端（T0），一般要求測量過程中恒定在某一溫度。理論分析和實踐證明熱電偶的如下基本定律：熱電偶的熱電

5、勢僅取決于熱電偶的材料和兩個接點的溫度，而與溫度沿熱電極的分布以及熱電極的尺寸與形狀無關（熱電極的材質要求均勻）。在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三導體C，只要引入的第三導體兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。在實際測溫過程中，需要在回路中接入導線和測量儀表，相當于接入第三導體，常采用圖B22（b）或B22（c）的接法。熱電偶的輸出電壓與溫度并非線性關系。對于常用的熱電偶，其熱電勢與溫度的關系由熱電偶特性分度表給出。測量時，若冷端溫度為0，由測得的電壓，通過對應分度表，即可查得所測的溫度。若冷端溫度不為零度，則通過一定的修正，也可得到溫度值。在智能式測量儀表中，將有關參數輸入計算程序

6、，則可將測得的熱電勢直接轉換為溫度顯示。3. ZKY-BRDR型準穩態法比熱、導熱系數測定儀簡介儀器設計必須盡可能滿足理論模型。而模型中的無限大平板條件通常是無法滿足的，實驗中總是要用有限尺寸的試件來代替。但實驗表明：當試件的橫向線度大于厚度的六倍以上時，可以認為傳熱方向只在試件的厚度方向進行。 圖B23 被測樣件的安裝原理 為了精確地確定加熱面的熱流密度，利用超薄型加熱器作為熱源，其加熱功率在整個加熱面上均勻并可精確控制，加熱器本身的熱容可忽略不計。為了在加熱器兩側得到相同的熱阻，采用四個樣品塊的配置，可認為熱流密度為功率密度的一半，如圖B23所示。為了精確地測出溫度和溫差，可用兩個分別放置

7、在加熱面中部和中心面中部的熱電偶作為溫度傳感器來測量溫升速率和溫差。實驗儀主要包括主機和實驗裝置，另有一個保溫杯用于保證熱電偶的冷端溫度在實驗中保持恒定。四：主要的實驗儀器及實驗步驟實驗儀器31主機主機是控制整個實驗操作并讀取實驗數據的裝置，主機前、后面板如圖B24，圖B25所示。 圖B25 主機后面板示意圖891011圖B24 主機前面板示意圖0加熱指示燈：指示加熱控制開關的狀態。亮時表示正在加熱，滅時表示加熱停止；1加熱電壓調節：調節加熱電壓的大小（范圍：15.00V19.99V）；2電壓表：顯示兩個電壓，即“加熱電壓（V）”和“熱電勢（mV）”；3電壓切換：在“加熱電壓”和“熱電勢”之間

8、切換，同時“電壓表”顯示相應的電壓；4加熱計時顯示：顯示加熱的時間，前兩位表示分，后兩位表示秒，最大顯示99：59；5熱電勢切換：在“中心面室溫”的溫差熱電勢和“中心面加熱面”的溫差熱電勢之間切換，同時“電壓表”顯示相應的熱電勢數值；6清零：當不需要當前計時顯示數值而需要重新計時時，可按此鍵實現清零；7電源開關：打開或關閉實驗儀器。8電源插座：接220V,1.25A的交流電源；9控制信號：為放大盒及加熱薄膜提供工作電壓；10熱電勢輸入：將傳感器感應的熱電勢輸入到主機；11加熱控制：控制加熱的開關。32實驗裝置實驗裝置是安放實驗樣品和通過熱電偶測溫并放大感應信號的平臺；實驗裝置采用了臥式插拔組合

9、結構，直觀，穩定，便于操作，易于維護，如圖B26所示。12放大盒：將熱電偶感應的電壓信號放大并將此信號輸入到主機；13中心面橫梁：承載中心面的熱電偶（圖B27中的“左橫梁”）；14加熱面橫梁：承載加熱面的熱電偶（圖B27中的“右橫梁”）；15隔熱層：盡可能減少加熱樣品時的散熱，以保證實驗精度；1314121516161718圖B26實驗裝置正視圖1519七芯插座16加熱器（薄膜）的位置（在里面，每一加熱薄膜的兩側可安裝樣品，結構如圖B23所示；17中心面位置，放置中心面熱電偶之處；18鎖定桿：實驗時鎖定橫梁，防止未松動螺桿取出熱電偶導致熱電偶損壞。19螺桿旋鈕：推動隔熱層壓緊或松動實驗樣品和熱

10、電偶；33接線原理圖及接線說明實驗時，將兩只熱電偶的熱端分別置于樣品的“加熱面中心”和“中心面中心”，冷端置于保溫杯中，接線插孔實物和接線原理如圖B27、圖B28所示。放大盒的兩個“中心面熱端”相互短接再與左橫梁的中心面熱端 “”相連（三個綠色插孔）；放大盒的“中心面冷端”與保溫杯的“中心面冷端”相連（二個藍色插孔）；圖B27保溫杯和實驗裝置俯視圖放大盒左橫梁右橫梁保溫杯放大盒的“加熱面熱端”與右橫梁的“加熱面熱端”相連（二個黃色插孔）；保 溫 杯放大盒左橫梁右橫梁中心面冷端+中心面熱端+熱電勢輸出-熱電勢輸出+中心面熱端+加熱面熱端+加熱面熱端-中心面熱端-圖B28接線方法和測量原理圖置于中

11、心面置于加熱面置于保溫杯ABCDK“熱電勢輸出”和“熱電勢輸出”則與主機后面板的“熱電勢輸入”和“熱電勢輸出”相連（紅連接紅，黑連接黑）；左、右橫梁的兩個“”端分別與保溫杯上相應的 “”端相連（均為黑連黑）；放大盒左側面的七芯插座與后面板上的“控制信號”與相連。主機面板上的熱電勢切換開關相當于圖B28中的切換開關K開關向上合時，B點為熱電偶的高溫端，C點為熱電偶的低溫端，測量的是“中心面與室溫”間的溫差熱電勢，而A、D部分不起作用；開關向下合時，A、D點組合測量的是“加熱面與室溫”間的溫差熱電勢，B、C點組合測量的是“中心面與室溫”間的溫差熱電勢。當它們串聯起來時，由于C、D有相同的溫度，故總

12、的溫差熱電勢就表示“加熱面與中心面”的溫差熱電勢。實驗步驟測量有機玻璃樣品的導熱系數和比熱容1. 安裝樣品并連接各部分聯線用萬用表檢查兩只熱電偶冷端和熱端的電阻值大小，一般在36歐姆內，如果偏差大于1歐姆，則可能是熱電偶有問題，遇到此情況應請指導教師幫助解決。旋松螺桿旋鈕，輕輕拔出左、右兩橫梁（橫梁下裝有熱電偶，小心！不能弄壞，且橫梁的左右位置不能搞錯），取出樣品架。戴好手套(手套自備)，以盡量保證四個實驗樣品初始溫度保持一致。將冷卻好的“有機玻璃樣品”放進樣品架中，并按原樣安裝好，然后旋動螺桿旋鈕以壓緊樣品。在保溫杯中加入自來水，水的容量約在保溫杯容量的3/5為宜。根據實驗要求連接好各部分連

13、線（其中包括主機與樣品架放大盒，放大盒與橫梁，放大盒與保溫杯，橫梁與保溫杯之間的連線）。2. 設定加熱電壓檢查各部分接線是否有誤，同時確認后面板上的“加熱控制”開關已經關上。打開主機電源，預熱儀器10分鐘左右。按下“電壓切換” 按鈕，切換到“加熱電壓”檔位，旋轉“加熱電壓調節”旋鈕到所需要的電壓。（參考加熱電壓：約18V）3.測定樣品“加熱面與中心面”間的溫度差和“中心面”的升溫速率彈出“電壓切換” 按鈕，切換到“熱電勢”檔位；彈出“熱電勢切換” 按鈕，切換到“溫差”檔位。等待！讓顯示的“溫差熱電勢”的絕對值小于0.004mV（如果實驗要求精度不高，此條件可以放寬到 0.010左右，但不能太大

14、，以免降低實驗的準確性）。保證上述的條件后，打開主機背面的“加熱控制”開關，并開始記錄數據。記數據時，每隔1分鐘分別記錄一次“加熱面與中心面之間的溫差熱電勢”和“中心面熱電勢”。一次實驗時間應在25分鐘之內完成，一般在16分鐘左右為宜）。技巧：讀數時，要來回“按下”或“彈出”“熱電勢切換”按鈕，以讀到溫差熱電勢值Vt和中心面熱電勢V。實驗時，可先讀Vt，過半分鐘后讀V，再過半分鐘讀Vt這樣能保證Vt讀數的間隔是1分鐘，V讀數的間隔也是1分鐘。根據數據，計算“加熱面與中心面”間的溫度差和“中心面”的升溫速率4. 由式（B26）和式（B28）計算有機玻璃的導熱系數和比熱容。5、 數據處理：萬用電表

15、的使用：根據原始數據計算得：不確定度完整測量結果側交流電壓有效值：(6.9921±0.0410)V測交流信號的頻率：(17.28±0.05)kHz二端法測電阻：(10.9987±0.0016)k電容：(0.962±0.024)F測有機玻璃的導熱系數和比熱：制得U2(t1tc),U1(t2t1)曲線如下：1.經觀察，加熱面與中心面之間的溫差熱電勢Vt在第10分鐘到第25分鐘較穩定。選這時間段內的數據為對象，計算平均值可得：。2.經觀察，中心面上每分鐘上升的熱電勢在第10分鐘到第25分鐘時間段較穩定。選這時間段內的數據為對象，計算平均值可得：。將和換算為“加

16、熱面與中心面”之間的溫度差和“中心面”的升溫速率溫度差, 升溫速率樣品厚度,有機玻璃密度=1196，兩并聯加熱器的加熱電壓V=(V初始+V結束)/2=17.5002V，為加熱面積，r=110.66為每個加熱器的電阻。熱流密度導熱系數（W/(m·K)）比熱（J /(kg·)）不確定度：對去qc：U=0.221454 V r=0.25504 qc=qc(lnqc)/U)2 U2+(lnqc)/r)2 r對：=(ln/(qc )2 qc2+(ln/t)2 (t)2 )=0.0040733 W/mK對c：a=t (23)SaSa=Sb(xi2 )/n)=b(r(-2)-1)/(n-

17、2) (xi2 )/n)=3.4822×10(-4)所以 a=t_0.95 (23) Sa=7.2778×10(-4)c=c(lnc/(qc )2 qc2+(ln/a)2 a2 )=68.3034 J/kgK如果考慮薄膜加熱器的熱容、邊緣絕熱條件沒滿足等，熱流密度按電功率的85%來修正，則熱流密度、導熱系數與比熱變為：熱流密度導熱系數（W/(m·K)）比熱（J /(kg·)）不確定度：qc=(ln/(qc )2 qc2+(ln/t)2 (t)2 )=0.003462 W/mKc=c(lnc/(qc )2 qc2+(ln/a)2 a2 )=58.057839 J/kgK六、討論：1、本實驗記錄