导热是指物质内部传递热量的过程。
物质内部的分子或原子之间存在着热运动,当其中一部分分子或原子受到热量的作用,其热运动加剧,从而将热量传递给周围的分子或原子,使其热运动加剧,热量也随之传递。
这样,热量就会从高温区域向低温区域传递,直到整个物体达到热平衡。
导热的速度取决于物质的导热系数、温度差和物质的厚度。
导热系数是指单位时间内单位面积上的热量传递量与温度差之比,通常用W/(m·K)表示。
温度差越大,导热速度越快;物质的厚度越大,导热速度越慢。
不同物质的导热系数不同,一般来说,金属的导热系数较高,而非金属的导热系数较低。
导热系数的测定实验原理
原理:
为了测定材料的导热系数,首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
热传导定律指出:如果热量是沿着Z方向传导,那么在Z轴上任一位置ZO处取一个垂直截面积dS(如图1)以表示在Z处的温度梯度,以表示在该处的传热速率(单位时间内通过截面积dS的热量),那么传导定律可表示成:(S1-1)式中的负号表示热量从高温区向低温区传导(即热传导的方向与温度梯度的方向相反)。
式中比例系数入即为导热系数,可见热导率的物理意义:在温度梯度为一个单位的情况下,单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。
利用(S1-1)式测量材料的导热系数入,需解决的关键问题两个:一个是在材料内造成一个温度梯度,并确定其数值;另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率。
1、关于温度梯度2、为了在样品内造成一个温度的梯度分布,可以把样品加工成平板状,并把它夹在两块良导体——铜板之间(图2)使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2,就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。
样品厚度可做成hsD(样品直径)。
这样,由于样品侧面积比平板面积小得多,由侧面散去的热量可以忽略不计,可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导,即只在此方向上有温度梯度。
由于铜是热的良导体,在达到平衡时,可以认为同一铜板各处的温度相同,样品内同一平行平面上各处的温度也相同。
这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温度T1、T2,就可以确定样品内的温度梯度度。
当然这需要铜板与样品表面的紧密接触(无缝隙),否则中间的空气层将产生热阻,使得温度梯度测量不准确。
为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性,把样品及两块铜板都加工成等大的圆形。
2、关于传热速率单位时间内通过一截面积的热量是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较为容易测量的量,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块,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。
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状态,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,我们已经知道,铜板的散热速率与其冷却速率(温度变率)有关,其表达式为:(S1-2)式中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。
因为质量容易直接测量,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。
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金属铜板加热,使其的温度高于稳定温度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一t曲线,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,这样得出的是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率,其散热面积为2mRP2+2mRPhP(其中RP和hP分别是下铜板的半径和厚度)然而在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为mRP2)是样品覆盖的,由于物体的散热速率与它们的面积成正比,所以稳态时,铜板散热速率的表达式应修正为:(S1-3)根据前面的分析,这个量就是样品的传热速率。
将上式代入热传导定律表达式,并考虑到ds=tR2可以得到导热系数:(S1-4)。
什么是导热系数?
热的良导体测量导热系数的常用方法有稳态法和瞬态法。
导热系数是指单位时间内在单位温度梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量,热传导是热量传输的重要方式之一,也是热交换现象三种基本形式,传导,对流,辐射中的一种。
热的良导体测量导热系数的稳态法
稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法,至今仍受到广泛应用,其原理是利用稳定传热过程中,传热速率等于散热速率的平衡状态,根据傅里叶一维稳态热传导模型,由通过试样的热流密度,两侧温差和厚度,计算得到导热系数。
瞬态法是最近几十年内开发的导热系数测量方法,用于研究中,高导热系数材料,或在高温度条件下进行测量,瞬态法的特点是精确性高,测量范围宽,高能达到2000摄氏度,样品制备简单。
热线法是在样品,通常为大的块状样品中插入一根热线,测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升,测量热线本身或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。