准稳态法测量比热和导热系数

【实验目的】

1. 了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理； 2. 学习热电偶测量温度的原理和使用方法。

【实验背景】

本实验内容属于热物理学的内容，热传递的三种基本方式包括热传导，热对流和热辐射，而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法，但是该方法要求温度和热流量均要稳定，因而要求实验条件较为严格，从而导致了该方法测量的重复性，稳定性及一致性差，误差大。该实验采用一种新的测量方法，即准稳态方法，实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。

比热定义为单位质量的某种物质，在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热，单位为J/(kg·K)，它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下，单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W/(m·K)，即瓦/(米·开)，它表征了物体导热能力的大小。

了解物质的热力学特性有很多应用，如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性，开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数，有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面，由于道路结构处于不断变化的温度环境中，了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数，能够使人们精确的模拟道路结构温度场，了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数，有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。

【实验仪器】

1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪； 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套，(每套四块），加热板两块，热电偶两只，导线若干，保温杯一个。

【实验原理】

1. 准稳态法测量原理

考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为2R，初始温度为t0，现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度qc，则平板各处的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。

以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表达如下：

qc qc x qc R qc R 图1理想的无限大不良导体平板

??t(x,?)?2t(x,?)?a???2?x???t(R,?)qc?t(0,?)??0 ???x??x?t(x,0)?t0??式中a??/?c，?为材料的导热系数，?为材料的密度，c为材料的比热。上述方

程的解为（参见附录）：

qa12R2R(?1)t(x,?)?t0?c(??x??2??R2R6?n?1n2?n?1n?cosx?eR?an2?2R2?) (1)

考察t(x,?)的解析式(１)可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而逐渐变小，因而该项对于(1)式的结果影响较小。

定量分析表明，当a??0.5以后，上述级数求和项可以忽略，这时(１)式可简写成： 2Rqc?a?x2R? (２) t(x,?)?t0??????R2R6??这时，在试件中心（x?0）处有：

t(x,?)?t0?qc?a?R??? （３）

??R6??在试件加热面处（x??R）有：

qc?a?R?t(x,?)?t0???? （４）

??R3?由式（３）和（４）可见，当加热时间满足条件温度和加热时间成线性关系，温升速率都为

a??0.5时，在试件中心面和加热面处R2?taqc，此值是一个和材料导热性能和实验????R条件有关的常数，此时加热面和中心面间的温度差为：

?t?t(R,?)?t(0,?)?1qcR （５）

2?由式（５）可以看出，此时加热面和中心面间的温度差?t和加热时间?没有直接关系，保持恒定。系统各处的温度和时间呈线性关系，温升速率也相同，我们称此种状态为准稳态。 当系统达到准稳态时，由式（５）得到

??qcR （6） 2?t根据式（6），只要测量进入准稳态后加热面和中心面间的温度差?t，并由实验条件确定相关参量qc和R，则可以得到待测材料的导热系数?。

另外在进入准稳态后，由比热的定义和能量守恒关系，可以得到下列关系式：

qc?c?R因此，该物质的比热c为：

c??t （7） ??qc?t?R?? （8）

式中

?t为准稳态条件下试件中心面的温升速率（进入准稳态后各点的温升速率是相同??的）。

由以上分析可以得到结论：只要在上述模型中测量出系统进入准稳态后加热面和中心面间的温度差和中心面的温升速率，即可由式（6）和式（8）得到待测材料的比热和导热系数。

2. 热电偶温度传感器

热电偶（thermocouple）通常是利用两种不同金属材料焊接起来制作而成的热电元件，制作热电偶的材料一般都选取贵重金属，即铜，银或金等，它是温度测量仪表中常用的测温元件，它能够把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，如图2(a)所示，由A(单线表示)和B(双线表示)两种不同金属材料的导体两端相互紧密的连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等(T>T0)时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）或热电效应，热电偶就是利用这一效应来工作的，即当电偶两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。

T

(a)

T0

(b)

图2热电偶原理及接线示意图

(c)

上述两种不同导体的组合称为热电偶，A、B两种导体称为热电极。两个接点，一个称为工作端或热端（T），测量时将它置于被测温度场中，另一个称为自由端或冷端（T0），一般要求测量过程中恒定在某一温度。根据热电动势与温度的函数关系，可以制成热电偶分度表。分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

热电偶结构简单，具有较高的测量准确度，测温范围一般为-50～1600°C，在温度相关的测量中应用极为广泛。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，并与显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。

理论分析和实践证明热电偶满足如下的基本定律：

1 热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个连接点的温度，而与温度沿热电极的○

分布以及热电极的尺寸与形状无关（热电极的材质要求均匀）。

2 在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，只要引入的第三导体两端温度○

相同，则对回路的总热电势没有影响。在实际测温过程中，需要在回路中接入导线和测量仪表，相当于接入第三导体，常采用图2(b)或2(c)的接法。

3 热电偶的输出电压与温度并非线性关系。对于常用的热电偶，其热电势与温度的关○

系由热电偶特性分度表给出。测量时，若冷端温度为0℃，由测得的电压，通过对

应分度表，即可查得所测的温度。若冷端温度不为零度，则通过一定的修正，也可得到温度值。在智能式测量仪表中，将有关参数输入计算程序，则可将测得的热电势直接转换为温度显示。

3. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪简介

仪器设计必须尽可能满足理论模型。由于模型中的无限大平板条件通常是无法满足的，因此实验中总是要用有限尺寸的试件来代替。但实验表明：当试件的横向线度大于厚度的六倍以上时，可以认为传热方向只在试件的厚度方向进行。

为了精确地确定加热面的热流密度qc，利用超薄型加热器作为热源，其加热功率在整个加热面上均匀并可精确控制，加热器本身的热容可忽略不计。为了在加热器两侧得到相同的热阻，采用四个样品块的配置，可认为热流密度为功率密度的一半，如图3所示。

为了精确地测出温度t和温差Δt，可用两个分别放置在加热面中部和中心面中部的热电偶作为温度传感器来测量温升速率

?t和温差Δt。 ?? 图3 被测样件的安装原理 实验仪主要包括主机和实验装置，另有一个保温杯用于保证热电偶的冷端温度在实验中保持恒定。

(1) 主机各部分功能

主机是控制整个实验操作并读取实验数据的装置，主机前、后面板分别如图4和图5所示，各部分功能如下：