非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验

非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。2．快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。3、掌握使用热电偶测量温差的方法。二、实验测试原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（如下图所示）。根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x，τ)可由下面方程组解得；方程组的解为：式中：τ——时间；λ——平板的导热系数；α——平板的导温系数；t0——初始温度；—傅立叶准则；，n=1，2，3…；qc——沿X方向从端面向平板加热的恒定热流密度。随着时间τ的延长，F0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F0＞0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成（2）由此可见，当F0＞0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为：平板加热面X=δ处为：此两面的温差为：（3）已知qc和δ，再测出△t，就可以由式（3）求出导热系数： （4）实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温差就等于无限大平板时两端正的温差。根据热平衡原理，在准稳态时，有：式中：F——试件的横截面积；c——试件的比热；ρ——试件密度；——准稳态时温升速率。则比热为： （5）实验时，dt/dτ以试件中心处为准。按定义，材料的导温系数可表示为m2/s综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性---导热系数、比热容和导温系数。三、实验装置简介实验设备包括破碎机、搅拌机、烘干机、电子天平、SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件。SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件如图1所示。验所吸收的热量应为：W/m2式中U一加热器的电压V；I一加热器的电流A；F一加热器（即试材）面积，m2；Ch＝0.079J／m2℃一加热器单位面积的比热容；一加热器（也是试材加热面的温度变化率）.六、实验要求1．预习实验指导书，弄懂实验原理和实验方法。2．细心装配试材，电加热器和热电偶，避免损坏。3．根据实验数据，绘出温度变化曲线，计算出试材的导热系数、比热容和导温系数。4．利用最优法原理，找出混合材料的最佳配比方案。七、实验数据记录试材名称；试材厚度mm；试材重量g；加热电流A；加热电压V：试材面积100×100mm时间热面温度冷面温度时间热面温度冷面温度时间热面温度冷面温度05′30″11′30″6′11′30″1′6′30″12′1′30″7′12′30″2′7′30″13′2′30″8′13′