一种测定材料导热系数实验仪器的研制_毛爱华.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-07基金项目:2021 年内蒙古自治区教育科学研究“十三五”规划课题(NGJGH2020161)文章编号:1007-2934(2023)01-0095-04一种测定材料导热系数实验仪器的研制毛爱华，李颖，陈华，李川飞(内蒙古科技大学 理学院，内蒙古 包头014010)摘要:介绍一种测定材料导热系数实验仪器及其测量方法，该仪器由电能和太阳能作为多用能源，利用稳态平板法原理测定包括金属、非金属、液体以及气体等多种材料的导热系数;该实验仪器具有导轨插件式结构，稳固安全、操作简便，测量内容丰富，测量数据准确的特点，可应用于科学研究以及测量领域。关键词:稳态平板法;多种材料;导热系数;实验装置中图分类号:O 4-33文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301020大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn导热系数是表征物质热传导性质的重要参数之一，在研究物质的特性和新材料研发及其实践过程中发挥着重要作用。因此，对物体导热系数的科学准确测量则显得至关重要。目前测量材料导热系数的方法较多，常采用稳态平板热源法1，2，大多数高校采用的是上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的 FD-TC-B 型实验仪器，实验方法经典，但是在实验过程中仍然存在一些不足之处3，例如:实验仪器仅限于测量如橡胶、金属棒、塑料导热系数，可测试的材料较少，测量范围有限;加热盘和散热盘均套置在竖直杆上，待测样品盘放在两者之间，取出、放入样品盘的操作中易发生顺竖直杆滑落损坏仪器的现象，另外，手容易触碰到顶部加热盘发生烫伤现象;使用时加热盘、待测样品盘及散热盘之间易出现接触不良，有空气间隙，从而影响测量结果的准确性;FD-TC-B 型实验仪未做保温措施，没有考虑散热对测量结果的影响;另外，测定仪完全依赖电网供电，断电则无法使用。1仪器设计思路及结构介绍针对上述问题设计一种太阳能测定材料导热系数实验仪 4(中国专利号 ZL2018108143552)如图1 所示。图 1太阳能测定材料导热系数实验仪若待测样品为液体、气体、粉末材料时使用盛载罐 4，如图 2 所示。盛载罐为圆柱体，设置有可旋开的杯盖和杯底，液体样品盛载罐的杯盖和杯底圆面为圆形金属导体，其柱体上设置凸出的加物口，加物口竖直向上，加物口处通过活塞密封，活塞中间设置有排液(气)孔儿，可导出受热膨胀的液(气)体;载罐侧面包裹一层保温层，其侧面两端的杯盖和杯底部金属导热面分别与散热盘架、加热盘架的压紧连接柱相联;盛载罐水平放置在导轨座上，其轴线与加热盘、散热盘轴线重合。当待测物为液体5-10 或气体11，12 时盛载罐制作长度为 12 cm 扁平圆柱体，以减小液体或气体对流影响;待测样品为粉末或颗粒物时盛载罐制作成长度为 10 cm 左右的圆柱体，以增大温度梯度。图 2盛载罐平面图2具体实施方案以测量液体的导热系数为例5-10，利用稳态平板热源法测量方法如下:1)打开盛载罐一侧面的杯盖，加入待测液体，直至液体样品基本盛满盛载罐，剩余液体通过加物口滴满盛载罐，不留空气缝隙，然后再由活塞密封;2)将加热盘架、盛载罐、散热盘架、风扇从左至右依次插置在导轨上;将加热盘内嵌于加热盘架腔中，将散热盘内嵌于散热盘架腔中;将盛载罐水平放置在导轨座上，置于加热盘与散热盘中间，盛载罐两侧的金属罐盖面分别对齐贴合左右的加热盘及散热盘，通过连接柱使加热盘、盛载罐、散热盘四周紧密贴合;通过对比观察导轨上的刻度线，观察加热盘待测样品及散热盘三者贴合程度，防止贴合过紧或过松;再由螺丝将三者固定在导轨上;3)连接温度传感器，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好;加热盘通过供电线连接单片电脑控制仪(或太阳能供电系统);双供电源包括电能和太阳能作为仪器的能源，打开单片电脑控制及测温仪电源，设定控制温度，加热盘即开始加热;单片电脑测温及控制仪显示设定控制温度同时显示散热盘的即时温度，打开风扇;4)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始观察散热盘的温度，待在 10 min 或更长时间内加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，可以认为盛载罐内部待测材料温度分布已经达到稳定状态;记录加热盘温度 1，同时记录散热盘温度 2;5)旋开固定螺丝，从导轨上取下盛载罐，移动散热盘架位置使加热盘和散热盘贴合，并接触良好，待散热盘温度上升到高于稳态时 2的 80100 时，移去加热盘，打开电子计时器，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔 20 s(或者 30 s)记录临近 2值的散热盘的温度示值，利用逐差法计算冷却速率/t(也可以根据最小二乘法求切线斜率即为冷却速率);6)根据测量得到的稳态时的温度值 1和 2，以及在温度 2时的冷却速率，由公式:=mct=2(P+2hP)(2P+2hP)4hB(12)1d2B(1)计算液体样品的导热系数。其中 m 为散热盘的质量，c 为散热盘比热容，P为散热盘的半径，hP为散热盘厚度，hB为盛载罐的长度，dB为盛载罐的直径;待测材料为气体、粉末、油脂等11-13 物质时盛入盛载罐测量方法同上;7)待测样品为不良导体盘或金属棒时，做保温后取代盛载罐置于导轨上，测量方法同上。3实验仪器的创新技术1)本发明的有益效果在于:该仪器为水平导轨结构取代原实验仪的竖直插杆结构，各个部件可插装在导轨任意位置上，由螺丝固定在导轨上，69大学物理实验2023 年部件组装调整灵活，取放自如，新仪器具有稳固安全满足常规的操作习惯的特点，便于实验顺畅进行;而原仪器为竖直结构，各个部件均装在竖直杆上，造成上下层部件安置、取放不便;另外，由于重力作用会出现加热盘下滑造成烫伤的安全隐患;2)水平调节:本装置只需调整导轨水平即可，调节简单快捷，操作方便，提高了实验效率;而原仪器为达到稳定的传热效果需分别调节底部散热圆板的三个微调螺钉，为三维方向调节，操作过程重复耗时，还会出现三盘易于错位滑落的现象;3)测量液体的导热系数时，旋开盛载罐杯盖可以基本装满，剩余液体再通过上面的加物口逐滴加入直至液体加满盛载罐，避免液体样品盛载罐中存在空气层导致测量结果出现较大的实验误差。此外，密封活塞中间留有排液(气)孔，加热膨胀的液体由排液(气)孔导出;4)为了使液体样品盛载罐与加热盘、散热盘接触良好，避免过紧或过松，减小实验误差;增加如下优化设置:加热盘架、液体样品盛载罐、散热盘架上均匀间隔设置压紧连接柱，通过压紧螺栓、压紧螺母配合使用，使液体样品盛载罐的杯盖面对齐贴合加热盘，散热盘左侧的圆形面对齐贴合液体样品盛载罐底部圆面，避免局部出现接触过松问题;卡扣开关，轻叩即可牢牢锁死，压紧扳手比上下压紧螺丝固定效果好，避免螺丝旋紧造成样品板挤压过度而变形。此外，调节过程中还可以比照导轨上的刻度线两侧进行精准观察和调节;5)利用太阳能光伏供电系统将光能转换成电能，为导热系数实验仪提供清洁能源，节能环保，能够在意外断电的情况下使用光伏蓄能，使实验课正常进行;6)增加保温层:该仪器在加热盘、待测样品(或盛载罐)及散热盘的侧面设置保温层进行保温处理，热量只沿着平板平面垂直方向传递，减少热量损失所造成的测量误差;此外，加热盘架内置加热盘，散热盘架内置散热盘，二者有保温和固定的作用，并可防止手直接触碰加热盘被烫伤的情况;7)单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，避免同学使用不同计时器(例如秒表、电子表、手机等)，造成计时误差;8)该实验仪器用于包括金属和非金属材料14，15 以及液体、气体等许多种材料的导热系数测量，还可以测量比如铜粉、沙子、高熔点材料以及建筑材料的导热系数，提高了测试的精度和扩大测试范围。4结语该测定仪整体性能有了较大提升，水平导轨插件结构，操作更加安全稳固、符合实验操作习惯。其具有太阳能和电能双驱动电源，节能环保;该仪器设有保温层，有效减少热量损失提高测量精度;新型导热系数测定仪自带的电子计时器可以避免计时器不统一造成计时误差。该测定仪的测温范围和试样种类较多，包括金属、非金属材料、液体、气体及粉末物质等大部分物体，可测试的导热系数范围大，适合作为科学实验仪器及高等院校普物实验旧仪器的升级换代产品。参考文献:1 沈元华，陆申龙基础物理实验M 1 版，北京:高等教育出版社，2003，3:141-144 2 王殿元大学物理实验 M 2 版，北京:北京邮电大学出版社，2008，7:186-191 3 张萍，韦力铖，黄家豪，等稳态法测量不良导体导热系数实验仪器改进J 大学物理实验，2021，34(6):75-79 4 毛爱华，蔡禄，等一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法，ZL2018108143552P 20200811 中国发明专利 5 毛杰键，叶表良，李杨，等液体导热系数测量方案的探究 J 上饶师范学院学报，2018，38(6):20-23 6 王伟，陈奇良，周孝清，等基于 Hot-disk 的液体导热系数测 量 装 置 实 验 研 究J 建 筑 节 能，2016，44(5):84-87，108 7 安艳伟，谢亮稳态平板法测液体导热系数的分析 J 大学物理，2016，35(5):19-23，49 8 李成仁，吕翎，曲业民，等液体导热系数的测量 J 物理实验，1993，14(3):105-106 9 周其云溶液导热系数测定仪的研制 J 实验室研究与探索，1996(3):60-61，6379第 1 期毛爱华，等:一种测定材料导热系数实验仪器的研制 10 赵振永，金文桂平面热源法测定液体导热系数的研究 J 煤气与热力，1991(6):49-54，4 11 鲁长宏，张瑞，李玉兰超稳定 TO-8 型压力传感器在气体导热系数测定实验中的应用J 物理实验，2006(11):31-34 12 童建平，隋成华，徐来定，等一种新型气体导热系数测定装置的研制 J 传感器技术，2002(10):19-21 13 张海明，赵俊廷测油脂导热系数的研究新进展 J 广州化工，2014，42(1):9-10，14 14 官邦贵，秦炎福，王玉连，等不良导体导热系数测量实验中两种冷却方式的对比研究J 物理与程，2009，19(5):45-46+63 15 邓敏，李华，杨先清，等“非良导体热导率的测量”的误差 分 析 及 改 进J 大 学 物 理 实 验，2010，23(2):74-76Development of an Experimental Instrument for MeasuringThermal Conductivity of MaterialsMAO Aihua，LI Ying，CHEN Hua，LI Chuanfei(School of Science，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)Abstract:The experimental instrument and method for measuring thermal conductivity of materials wereintroduced in this workThe instrument，which is based on the steady-state plate principle，uses electric energyand solar energy as dual energy sources to measure the thermal conductivity of various materials such asmetals，nonmetals，liquids，and gases etcThe experimental instrument has the characteristics of rail plug-instructure，stab