80-400K温度范围内泡沫保温玻璃的比热容和导热系数.doc

沈阳建筑大学毕业论文80-400K温度范围内150P泡沫玻璃的比热容和导热系数岳丹婷，2,3谭志成, 2,4狄友英,2吕欣荣，3孙立贤2摘要泡沫玻璃的低温比热容（79-395K）已经用一种精密的自动化热计量测量出来。泡沫玻璃的导热系数（从243-395K）也实现了用稳定的热流量计测量。实验结果表明，150P下泡沫玻璃的比热容和导热系数都与温度的增长有关。实验测得的比热容（79-395K）被列成了多项式方程：CP/Jg-1K-1=0.6889+0.3332x-0.0578x2+0.0987x3+0.0521x4-0.0330x5-0.0629x6，这里x=（T/K-273） /158. 实验的比热容作为温度的一个根据已经被列成了另一个多项式方程（243-395K）： /Wm -1K-1= 0.14433+0.00129T2.83410-6T2+2.1810-9T3 另外，泡沫玻璃的热扩散率可通过比热容和导热系数计算，并列成又一个多项式方程： a /m 2s-1 =1.68285 + 0 .01833T 5.8489110-5 T2 + 8.1194210-8T3 4.2497510-11 T4。 关键词：焓和熵函数；泡沫玻璃；低温；比热容；导热系数；热扩散系数。1 第七届亚洲热物理学特性会议，中国安徽合肥黄山2004年8月23-28日。 2中科院大连物理化学协会热化学实验室 ，中国大连，邮编 116023。3大连海事大学轮机工程学院，中国大连 ，邮编116023.4来信请发邮箱: 1、 简介泡沫玻璃1-3是一种应用在建筑行业上的保温绝热材料。它是用废玻璃和粉煤灰为最基本材料生产出来的，浮石，碳黑，碳酸钠作为辅助材料，并加入各种各样的添加剂，如氟硅酸钠，硼酸，六偏磷酸钠等。它是一种充满了均匀泡沫的类似玻璃的材料。泡沫玻璃的生产要经历一系列的程序，例如原料的混合融化，发泡，热处理和在模具里冷却。泡沫玻璃有稳定性、耐久性、安全、可靠性和抵抗化学侵蚀方面的优越性，并且不受害虫的侵害（蚂蚁，老鼠，等）。这种材料是防水的，且具有低密度、高机械强度，高的吸音性能。这种材料已经被广泛的应用于建筑内部和外墙保温工程、装饰工程、石油化工工程，冷藏，和地面工程等领域。使其在绝热、深冷、地下、露天、易燃、易潮以及有化学侵蚀等苛刻环境下倍受用户青睐。被广泛用于墙体保温、石油、化工、机房降噪、高速公路吸音隔离墙、电力、军工产品等，被用户称之为绿色环保型绝热材料。除此之外，作为一种建筑材料，许多新的应用被逐渐发现，并且这种需求正在极大的增长。为了发现泡沫玻璃诸多新性能的这个目的，材料的热力学数据，例如在温度低于400K下的比热容，热力学函数（焓和熵）和导热系数是迫切需要知道的。.然而，直到现在，这些数据还没有在文献中发布。在目前的研究中，自制的泡沫玻璃低温比热容（79-395K）已经用一种精密的自动化热计量测量出来。泡沫玻璃的导热系数（从243-395K）也实现了用稳定的热流量计测量。比热容被表示成一个多项式函数，用X= (T/ K 273 )/ 158表示（温度范围79-395K）。导热系数作为温度的一个函数被用另一个多项式函数表示（243-395K）此外，150P下泡沫玻璃的热扩散率的计算是基于比热容和导热系数所建立起来的热扩散率的多项式方程。2、实验数据2.1.样品 表一：主要组成原材料的化学组成这个实验中用的泡沫玻璃是兰州鹏飞公司生产过的。主要天然原材料的列在表一中。固体材料主要化学组成（玻璃相）如下：SiO 2 71.7%, Al 2 O 3 2.8%,(CaO + MgO)11.5%,Fe 2 O 3 0.2% and other13.8%. 泡沫玻璃的气泡尺寸是1-3mm。样品的孔隙率90%。298.15K时的密度是142Kg m-32.2.绝热量热法一台高精密度自动化绝热量热器4,5用于测量79-395K范围内的比热容。实验所用温度计根据ITS-90台湾中央研究院的低温度量衡和尺寸校准。比热容测量值被连续不断自动化的测量出来通过间歇加热样品交替测量温度的方式。样品加热持续10分钟，样品被加热5min后平衡持续，平衡周期总是维持在（10-3到10-4）K*min-1在热容获得期间。每个热容测量点的升温速率和温度升高值通常是受控制的，分别的（0.1-0.3）K*min-1和(13) K 。用于热量测量的样品块重4.3511g。2.3. 导热系数的测量一个永恒不变的热流量计（型号HFM-MR）被用于测量泡沫玻璃的导热系数，根据文献1的方法按照GB 10295 8测量。单面恒定热流量与存在于大面积平板相似，立足于统一的平面试样在导热系数测量期间。导热系数测量示意图：1-测量材料；2-散热器；3-热源；4,-热绝缘体；5-热流量传感器；6-热电偶。单面恒定热流通过样品，冷热面的温差（T）在不变的条件下被测量，样品的导热系数能够通过公式T计算出来。测试装备如图1。实验过程中，散热器是一个半导体冷却阶段，散热器的温度范围是 40 到+ 20C，温度误差控制在 0 . 5C。热源是电热膜，加热范围是20 到 120C，试验中最大误差是 0 . 5C。测试用的泡沫玻璃的尺寸是140 140 140 mm3，被放置在冷热源之间，用聚苯乙烯（导热系数 = 0 . 02 W m -1 K -1 , 远小于样品的导热系数）作为绝热材料包裹样品确保单面热流量在中心区的存在。四对热电偶和一个热流量传感器被安装在立方体的上表面，另外四对固定在立方体的下表面。两处设置的热电偶的热电位用安捷伦15970（数据采集的个人电脑）记录，接下来被用于计算在样品冷热面上的温度。热流动密度由热流量计HFM确定，量程是10010000 J m-2；最大测量误差是 0 . 5%。温度范围是 50 to 1000 C;最大误差是 0 . 1 C 。此外，热流量计被固定在样品的上表面利用热传导硅脂，一个稳定的热流动便获得了。通过调节热源和散热器的温度，他们之间的温差 能够维持在5-10C 。热流量的测试值和平衡温度每5min被数据采集系统自动收集一次。当预调温度值偏差在 1% 之内时，平衡温度被假定已经达到，结果被记录。稳定永恒不变的热流量计已被通过导热系数测量标准材料证明。实验材料导热系数的相对偏差（按照美国国家标准技术研究所提供的数据）观测到在 0 . 5%之内。3. 结果与讨论3.1.比热容123次试验中，在79-395K的温度范围内，比热容被获得。所有的试验结果在表2中被列出，图2表示了原料的组成恒定在相同的温度范围，没有相变和热分解发生。所有的实验数据（79-395K）依据最小二乘法建立成了对比温度的多项式函数： CP/Jg-1K-1=0.6889+0.3332x-0.0578x2+0.0987x3+0.0521x4-0.0330x5-0.0629x6，这里x=（T/K-273） /158.式中的237是从最高极限温度395K和温度下限79K之和的一半中获得的 ，158是二者之差的一半。因此，x在-1和+1之间不等。实验的比热容相对偏差通过多项式函数计算，在0 . 35%之内，除了较下和较上温度极限之外的点。3.2. 热力学函数泡沫玻璃的平滑的比热容和热力学函数以合适的对比温度x的热容量作为根据的多项式方程为基础，根据以下的热力学关系：HT H 298 . 15 = S T S 298 . 15 = 样品的基本热力学函数和比热容的多项式拟合值相对于标准温度298.15K被制成表格3,5K的间隔。 3.3.泡沫玻璃的导热系数243-395K温度范围内测得的的泡沫玻璃的导热系数列在表4里，并绘图在图3上。测得的导热系数随温度由243-395K的升高单调递增， 同温度范围之内的导热系数测试值在0.03和0.05 W m -1 K -1 之间。导热系数是低的，显示了材料极好的满足了保温绝热性能。泡沫玻璃测定的导热系数( )与温度相对符合依靠最小方块理论的多项式表三：150P下 泡沫玻璃的热力学函数实验测量值的导热系数的相对偏差 在 0.5%之内。3.4.热扩散系数扩散系数根据下面的公式计算出来：a = /(C p ) 相对温度下的导热系数图Table V.下泡沫玻璃的热扩散系数其中是实验的导热系数测量值，是泡沫玻璃的密度（g cm-3），C p 是泡沫玻璃的比热容。计算出的热扩散系数(a)列在表5里绘成图4.导出的热扩散系数方程式根据给出的温度：Fig.4. 相对温度下的热扩散系数图关联系数是R2= 0 . 99 方程式是在250-390K范围内有效。 The relative来自计算值的平滑测试值的相对偏差在 1%之内。4. 结论(a) 实验结论显示，150P的泡沫玻璃的比热容和导热系数随着温度在各自的温度范围79-390K和250-390K内随温度的升高而单调递增。 (b)泡沫玻璃样品的导热系数在233K时定为0.0324 W m-1 K-1 ，小