实验三 准稳态法测材料的导热性能实验
一、实验目的
1. 测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。
2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。
二、实验原理
本实验是根据第二类边界条件,无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ,初始温度为t 0,平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热(见图1)。求任何瞬间沿平板厚度
方向的温度分布t (x ,τ)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下:
2
2)
,(),(x
x t a x t ??=??τττ 0=τ时, 0t t =
0=x 处, 0=??x
t
δ±=x 处, c q x
t
=??-λ
方程的解为:
)]exp()cos(2)1(63[),(02211
220F x
x a q t x t n n n n c μδμμδδδδτλτ--+--=-+∞
=∑式中:τ
—— 时间,s ;
λ—— 平板的导热系数,w/m ?℃;
a —— 平板的导温系数,a c
λ
ρ=
m 2/s ; n μ——πn ,n=1,2,3,……;
Fo —— 傅立叶准则,Fo =2
a τ
δ ; t 0 —— 初始温度,℃;
c q —— 沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度,w/m 2。
随着时间τ的延长,F 0数变大,上式中级数和项愈小。 当F 0>0.5时,级数和项变得很小,可以忽略,上式变成:
20221
(,)()26
c q at x t x t δτλδδ-=+- (1)
由此可见,当F 0>0.5后,平板各处温度和时间成线性关系,温度随时间变化的速率是常数,并且到处相同。这种状态称为准稳态。
在准稳态时,平板中心面x=0处的温度为:
021
(0,)()6
c q a t t δττλδ-=- (2) 平板加热面x=δ处为:
)3
1
(),(20+=
-δτλδτδa q t t c (3) 此两面的温差为:
λ
δ
ττδc q t t t ?=
-=?21),0(),( 如已知q c 和δ,再测出Δt ,就可以由式(3)求出导热系数: t
q c ?=
2δ
λ (4) 实际上,无限大平板是无法实现的,实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为,试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时,两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。
根据势平衡原理,在准态时,有下列关系:
τ
ρδ
d dt CF F q c = 式中:F —— 试件的横截面积,m 2
;
C —— 为试件的比热,J/kg ?℃;
ρ—— 为试件的密度(kg/m 3
);
τ
d dt
—— 为准稳态时的温升速率(℃/s)。 由上式可得比热: τ
ρδd dt q c c
=
实验时,τ
d dt
以试件中心处为准。
三、实 验 设 备
按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示。
图2 实验装置简图
1. 试件
试件尺寸为100mm×100mm×δ,共四块,尺寸完全相同,δ=10~16mm。每块试件上下面要平齐,表面要平整。
2. 加热器
采用高电阻康铜箔平面加热器,康铜箔厚度仅为20μm,加上保护箔的绝缘薄膜,总共只有70μm。其电阻值稳定,在0—100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同,也是100㎜×100㎜的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同,相差应在0.1%以内。
3. 绝热层
用导热系数比试件小的材料作绝热层,力求减少热量通过,使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样,可假定式(4)中的热量q c等于加热器发出热量的0.5倍。
4. 热电偶
利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率,热电偶由0.1㎜的康铜丝制成。
实验时,将四个试件整齐迭放在一起,分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2,试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3,热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后,适当加以压力,以保持各试件之间接触良好。
图3计算机采集测试系统简图
四、实验步骤
1. 用卡尺测量试件的尺寸:面积F 和厚度δ;用天平测量试件重量。
2. 按图2和图3放好试件、加热器和热电偶,接好电源。手动测量时,接好热点偶与电位差计及转换开关的导线,计算机采集不用。
3. 接通测试装置的开关,调节加热器的电压电流至设定值。(试验过程中,电流不容许变化。此值事先经实验确定)。
4.打开计算机测试软件,进入“实验过程”界面,在参数设定区设置实验参数。分别输入试件厚度、面积、密度等已知数据。傅立叶准则设定为0.5,采集时间间隔设定为2分钟。设定完毕后开始采集数据。
5. 经过一段时间后(与所测材料有关,一般为10~20分钟),系统进入准稳态,此时软件显示的傅立叶数应大于0.5,可根据软件采集界面的显示结果记录实验数据。然后关闭测试系统开关中止实验,取下试件及加热器,使加热器在室温下冷却,待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。
6. 实验全部结束后,必须切断电源,一切恢复原状。
五、数据处理和计算
1.初始实验参数记录:
室温: [℃] 加热器电流I : [A]
加热器电压U : [V] 试件截面尺寸F : [㎡]
试件厚度: [m] 试件材料密度: [㎏/m 3
]
具体计算步骤如下:
先求出:热流密度 c IV q F
=
[w/㎡];
根据准稳态时的温差Δt (热面与冷面温度之差)[℃];准稳态时的温升速率τ
d dt
[℃/小时];即可计算出:
导热系数t
c q ?=4δ
λ [w/m ?k ];
比热τ
ρδd dt q c c
=
[J/㎏?℃]。
物理实验报告-稳态法导热系数测定实验
稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验,掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型,这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形,薄板的一个表面进行加热,另一个表面则进行冷却,建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成,包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键,“±”正负号转换键,“RST”复位键,“ON/OFF”开关键。 数据键:根据不同的功能对相应的数据进行加减,与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键:当“±”正负号转换键为“+”时,在原数据基础上加相应的数值;为“-”时,减相应的数值。“RST”复位键:复位数据,重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶,发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压,电位器对每路输出电压进行调整,作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料,搭建实验台,合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器),并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理,确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度,测试样3个点的厚度,取其算术平均值,作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率,通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度,根据主加热板的温度,调整电位器改变施加在副加热板的电压,使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时,认为达到稳态。此时,记录主加热板温度、试样两面温差。
氢氧燃料电池性能测试实验报告
氢氧燃料电池性能测试 实验报告 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
氢氧燃料电池性能测 试实验报告 学号: 姓名:冯铖炼 指导老师:索艳格 一、实验目的 1.了解燃料电池工作原理 2.通过记录电池的放电特性,熟悉燃料电池极化特性 3.研究燃料电池功率和放电电流、燃料浓度的关系 4.熟悉电子负载、直流电源的操作 二、工作原理 氢氧燃料电池以氢气作燃料为还原剂,氧气作氧化剂氢氧燃料电池,通过燃料的燃烧反应,将化学能转变为电能的电池,与原电池的工作原理相同。 氢氧燃料电池工作时,向氢电极供应氢气,同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下,通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电,在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后,这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。
工作时向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(氧气)。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上,氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。 氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的装置氢氧燃料电池的反应物都在电池外部它只是提供一个反应的容器 氢气和氧气都可以由电池外提供燃料电池是一种化学电池,它利用物质发生化学反应时释出的能量,直接将其变换为电能。从这一点看,它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是,它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂,这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出,所以被称为燃料电池。 具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初,电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成,2013年正发展为直接使用固体的电解质。 工作时向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(空气,起作用的成分为氧气)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。当氢离子进入电解液中,而电子就沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。此过程水可以得到重复利用,发电原理与可夜间使用的太阳能电池有异曲同工之妙。 燃料电池的电极材料一般为惰性电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性碳电极等。 利用这个原理,燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电,所以也可称它为一种"发电机"。 一般来讲,书写燃料电池的化学反应方程式,需要高度注意电解质的酸碱性。在正、负极上发生的电极反应不是孤立的,它往往与电解质溶液紧密联系。如氢—氧燃料电池有酸式和碱式两种: 若电解质溶液是碱、盐溶液则
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