常见导热系数的测量方法

导热系数的测量方法主要分为两类:稳态法和瞬态法。

稳态法中,通过热源对样品加热,使加热和散热过程达到平衡状态,形成稳定的温度场。

利用温度梯度和单位面积上的传热速率,结合傅里叶定律计算样品的导热系数。

而瞬态法中,试样温度分布随时间变化,通过监测表面温度变化速率确定热扩散系数,进而得到导热系数。

热扩散系数是高温区热量传递至低温区速率的快慢,数值上为导热系数与体积热容之比。

傅里叶定律描述了材料内热流密度与温度梯度成正比的关系。

基于此定律,导热系数稳态测量方法包括热板法、防护热板法、热流计法和防护热流计法。

这些方法适用于低导热性材料的测量,而瞬态法中的热线法、热带法、激光闪射法和瞬态板式热源法适用于高导热材料及高温测试。

热板法将试样置于热板与冷板之间,通过计算热板与冷板间平均温差,结合厚度与热流量,得到导热系数。

防护热板法通过增加防护层减少侧边热损失。

热流计法则测量热流量,结合厚度与上下表面温度,计算导热系数。

稳态测试方法的优点包括:测量简单、快速,适用于低导热系数材料。

但缺点有:测试效率低,测试时间长,对绝热条件和样品尺寸要求高,不适用于粉末、液体和气体试样,且仅适用于各向同性材料。

相比之下,瞬态法在稳定热源条件下测量样品温度对时间的响应,无需达到热平衡,测试时间短,测量精度高,适用于广范围温度和量程,且对接触热阻影响小。

热线法通过金属线作为加热热源和温度传感器,其升温速率与材料导热性相关,计算公式为:热线法的优点在于消除边界热损失,获得数据更可靠。

缺点包括:在低压气体和高温测试条件下精度较低,不适合薄膜试样。

热带法采用金属片作为加热热源和温度传感器,厚度越薄,热阻越小,测量结果更准确。

适用于松散材料和非导电固体,但加热功率过高会影响内部温度场分布,造成误差。

激光闪射法利用激光束作为加热热源,通过非线性拟合温度与时间曲线,计算材料热扩散系数和导热系数。

优点有:计算简单、试样尺寸要求不高、测试时间短、测量范围广。

但仅适用于各向同性材料,测量热扩散系数小的材料时误差偏大。

瞬态板式热源法(TPS)改进了测试方法,采用薄膜式传感器,减少了样品大小和接触热阻,提高了测试速度和精度。

其优点包括:无需破坏样品,无需预处理,适用于多孔类和透明材料,探头与样品间热阻不影响结果,可直接测量温升,同时获得导热率、热扩散系数和体积热容参数。

可测量固体、粉末、液体、气体、薄膜和各向异性材料,具有单向和双向测量选择,提高了精确度。

Hot Disk探头采用金属镍箔作为电阻式温度传感器和加热热源,具有高响应灵敏度,适用于30K至1000K温度范围内的材料导热系数测量。

镍在350℃至400℃间会经历相变,需谨慎测试,以免对探头造成不可逆性伤害。

金属镍可用于30K至450K的测试,使用聚酰亚胺薄膜;400K至1000K的测试需使用特制云母绝缘盘。

目前,测量温度范围超过1000K的新传感器绝缘材料尚处于研发阶段。

聚四氟乙烯绝缘防护层的探头用于测试腐蚀或高粘度材料。

热传导的公式是怎么样的?

材料直接传导热量的能力称为热传导率,或称热导率。

热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。

热导率的单位为瓦每米开尔文(W/(m·K))。

材料直接传导热量的能力称为热传导率,或称热导率。

热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。

热导率的单位为瓦每米开尔文(W/(m·K))。

保温系数是指能反映一种媒介传到热系数的倒数,既导热系数的倒数。

导热系数为在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,°C),在1秒内,通过1平方米面积传递的热量,用λ表示,单位为瓦/米·度(W/(m·K),此处的K可用℃代替)。

总热容:同样热传导率,升温可能快,也可能慢。

比如铜的热传导率大,大铜块热容大,局部加热铜的大部件温度升高就慢。

同样是铜,如果用作电烙铁头,烙铁头小,热容量也小,就很快加热了。

比热容:热传导率大升温反而慢的例子。

水和油比,水的热传导率比油大,但比热容也比油大,所以烧热一水壶水,比烧热同样体积的一水壶油就要花更长的时间。

或者说水壶的温度没有油壶里的温度升的快。

热导率公式:

k:热导率、Q:热量、 t:时间、L:长度、A:面积、T:温度差(在SI单位)。

热导率的单位是 W/(mK),在英制单位是Btu‧ft/(h‧ft)把对应的数值代入就可以求出了。

升温速度公式

热传递速率下面的公式表示q=-λA(dt/dx)λ为导热系数A为传热面积t为温度x为在导热面上的坐标q是沿x方向传递的热流密度(用单位时间的导热量)dt/dx是物体沿x方向的温度变化率(与温度差成正比,与长度成反比)-表示热量传递方向与温度变化率方向相反(这是热力学中的傅立叶定律)λA(dt/dx)由此可以看出,热传递的速率与传递物体的长度成反比、横截面积成正比、与温度差成正比。

如果被加热水箱起始温度为T1(不知道),终止温度是T2(190度),假设两个恒温热源与被加热水箱之间的传热物体相同,而温度差不同,就是而且温差开始大,随着过程的进行逐渐减小,因此加热时间的计算比较复杂,要用高等数学进行计算。

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