金属导热系数测量实验报告
金属导热系数测量实验报告
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金属导热系数测量实验报告
姓名:陈岩松 学号:550121
5012
学院:高等研究院
班级:15级本硕实验班
一、实验目的:
1.掌握稳态法测定金属良导热体的导热系数。 2.了解物体散热速率和传热速率的关系。 3.理解温差热电偶特性。
二、实验原理:
根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为T 1、
T2的平行平面(设T1>T 2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S的热量Q ?免租下述表达式:
?
h
T T S t Q
)(21-=??λ (1) 式中,
t
Q
??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个
单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。
在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜盘A放在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度T 1、T 2,T 1、T 2分别插入金属圆筒边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为
221)(B
B
R h T T t Q
πλ-=?? (2) 式中,b R 为样品的半径,b h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,T 1和T2的值不变,通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜盘P在稳定温度T 2的散热速率来求
出热流量t
Q
??。实验中,在读得稳定时T 1和T 2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P直接接触。
当铜盘P的温度上升到高于稳定时的T 2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度T 随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在T 2的冷却速率3
T T t
T
=??,而3
T T t
T mc
=??,就是铜盘P在温度为T 3时的
散热速率。但要注意,这样求出的
t
T
??是铜盘P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率,其散热表面积为P P B h R R ππ222+。然而,在观察测量样品的稳态传热时,P盘的上表面是被样品覆盖着的,并未向外界散热,所以当样品盘B 达到稳定状态时,散热面积仅为:P P P
h R R ππ22
+。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比,在稳态是铜盘散热速率的表达式应作如下修正:
)
22()
2(2
2
P P P p P P h R R h R R t T mc t Q ππππ++??=?? (3) 将式(3)代入(2),得
2211
))(22()2(B
P P B p P R T T h R h h R t T mc
πλ?-++??=
三、实验仪器:
TC-3导热系数测定仪、杜瓦瓶
四、实验内容和步骤:
(1) 先将两块橡胶盘套在金属圆通的两端,然后置于加热盘A 和散热盘P 之间,调节散热盘P下方的三
颗螺丝,使金属圆筒与加热盘A 及散热盘P 紧密接触。 (2) 在杜瓦瓶中放入自来水,将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中,热端分别插入金属圆筒侧面上下的小孔
中,并分别将热电偶的接线连接到导热系数测定仪的传感器I 、II 上。 (3) 接通电源,将加热开关置于高档,大约加热90分钟后,传感器Ⅰ的读数不再上升时,说明已达到
稳态,开始计时,每隔2分钟记录U T1和UT 2的值。
(4) 测量散热盘在稳态值T 3附近的散热速率??
?
????t Q 。移开加热盘A,先将两测温热端取下,再将T 2的测
温热端插入散热盘P的侧面小孔,取下金属圆筒,并使加热盘A 与散热盘P直接接触,当P 盘的温
度上升到高于稳态值V T3值的电势约0.2mV 时,再将铜盘A 移开,让铜盘P自然冷却,每隔30秒记录此时的T 2值。
(5) 记录散热盘P 的直径、厚度、质量和金属圆筒的直径、长度。
五、实验数据记录和处理
铜的比热C g cal c ??=- 109197.0 铜盘质量g m 820= 铜盘直径D=12.76cm (cm R P 38.6=) 铜盘厚度=p h 0.72cm 橡胶盘直径12.95cm 橡胶盘厚度0.8c m 铝棒直径3.9cm (cm h B 95.1=) 铝棒长度9.0c m(cm h B 0.9=) 达到稳态后测量的数据如下
序次 1 2 3 4 5 平均值 U1/m V 2.32 2.33 2.35 2.36 2.37 2.35 U2/m V
2.10
2.12
2.13
2.14
2.15
2.13
稳态时T 3对应的U 3=2.20mV 时间/s 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 U 3/m V
2.28
2.22
2.15
2.08
2.02
1.96
1.90
1.84
1.79
1.74
画出电势时间图像如下
则散热速为
t
U
??=-k=0.002 由记录的以下数据
y = -0.002x + 2.332
00.511.5
22.50
50
100
150
200
250
300
350
U 3
t
U3-t 图
cm
h cm R B cm h cm R g m P J cal C c B B p 0.9;1.9572.0;38.6;820)
1868.41(g 0.09197cal p 1-1======???=-:金属圆筒:散热盘 1
111
1122
2
21119.16104.18795.114.31)13.235.2()72.0238.62(0.9)72.0238.6(002.009197.08201.))(22()2(------???=???????-??+???+???=-+?+??=K m s J K
m s J R T T h R h h R t T mc B p p B p p πλ
六、误差分析
1.读数存在误差,并且可能并没有达到稳态就开始读数记录。
2.实验室空气流动造成少量热量散失。
3.没有做到金属圆通与散热加热盘紧密接触,对实验影响较大。 七、思考题:
(1)稳态法测导热系数稳态是什么?怎样判断是否达到稳态?
答:稳态是指热量传导时传热等于散热,金属处于温度不变的动态平衡的稳定状态。 T 1与T 2的数值在10min内的变化小于0.03mV,表明已经达到稳态。 (2)阐述热电偶测量温度的原理?
答:热电偶测温的基本原理是热电效应。把任意两种性质不同的导体或半导体连接成闭合回路,如果两接点的温度不同,在回路中就会产生热电动势,形成热电流,这就是热电
效应。
(3)实验中时测传热速率还是测散热速率?
答:散热速率
(4)热电偶测量温度是通过热电势与温度的关系得到温度值,本实验中为什么不用确定的热电势与温度的关系得到温度值,而是直接带入热电势计算?
答:因为这样计算更加减少了计算量,更加方便,而且通过热电势与温度关系计算出
的温度也是有一定的误差的,转化步骤增多,实验误差更大。
八、原始数据
导热系数的大小表明金属导热能力的大小
导热系数的大小表明金属导热能力的大小,导热系数越大,导热热阻值相应降低,导热能力增强。在金属材料中,银的导热系数最高(表),但成本高;纯铜其次,但加工不容易。在风冷散热器中一般用6063T5铝合金,这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足,很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉。但随着散热需求的提高,综合运用各种导热系数高的材料,已是大势所趋。有部分散热片采用了纯铜或铜铝结合的方式来制造。例如,有的散热片底部采用纯铜,是为了发挥铜的导热系数大,传热量相对大的优点,而鳍片部分仍采用铝合金片,是为了加工容易,将换热面积尽可能做大,以便对流换热量增大。但是此种方法最大的难点在于如何将铜与铝型鳍片充分地连接,如果连接不好,接触热阻会大量产生,反而影响散热效果。 各种常用金属材料及铝合金导热系数 材料名称导热系数材料名称导热系数 银99.9% 411 W/m.K 硬铝4.5%Cu 177 W/m.K 纯铜 398 W/m.K 铸铝4.5%Cu 163 W/m.K 金 315 W/m.K Mg,0.6%Mn 148 W/m.K 纯铝 237 W/m.K 6061型铝合金 155 W/m.K 1070型铝合金 226 W/m.K 黄铜30%Zn 109 W/m.K 1050型铝合金 209 W/m.K 钢0.5%C 54 W/m.K 6063型铝合金 201 W/m.K 青铜25%Sn 26 W/m.K 金和银的导热性能比较好,但缺点就是价格太高,纯铜散热效果则次之,但已经算是非常优秀的了,不过铜片也有缺点:造价高、重量大、不耐腐蚀等。所以现在大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材料制作的,其中铝合金的热传导能力最好,好的CPU风冷散热器一般采用铝合金制作。 最好的散热材料并不是铝材。是银,接着是铜,金,再者就是铝。至于金和银,散热固然好,可是它的成本高,制作工艺复杂,最主要的还是成本问题,所以这两种材料是商家不大认同的。 至于铜,目前市场上也不断的出现了纯铜的散热器,采用纯铜的材料并不见得好,铜的导热性能比起铝要快的多,但铜的散热没有铝快,铜可以快速的把热量带走,但无法在短时间内把本身的热量散去,这就很有可能造成在PC关机时热量在短时间内散不去,在CPU上方形成一个无形的热源。另外铜的可氧化性这是铜本身最大的弊病。当铜一旦出现氧化状态,从导热和散热方面都会大大的下降。
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样,只要测量低温侧
铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R