1、导热系数的测定方法Excellent courseware导热系数的测量方法n导热系数（又称热导率）是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。n某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。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。Excellent courseware不稳定温度场不稳定温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变 稳定温度场稳定温度场:温度不随时间而改变等温面等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。t1t2t
2、1t2等温面Q温度场温度场Excellent coursewaret+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点点的概念。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正温度梯度：温度梯度：温度场中，某一点等温面法线方向上 的温度变化率。Excellent courseware-导热率/导热系数，W/（mK）或W/（m）,越大，导热性能越好；A-导热面积，m2；dt/dx-负值(温度降低的方向)，K/m或/m）Q-导热速率，正值，W，J/s；傅立叶定律傅立叶定律热传导的基本定律傅立叶定律傅立叶定律：单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及 垂直于热量方向的导热面积A成正比。即：即
3、：Q=-Adt/dx式中加负号-热流方向与温度梯度的方向相反。Excellent courseware导热率（导热系数）导热率（导热系数）dxdtAQdxdtAQ由傅立叶定律 影响的因素很多，主要是物质的种类(固、液、气)和温度。当温度梯度为1时，单位时间内通过单位导热面积的热量。的大小表征物质的导热能力，是物质的一个重要的物性参数(和，一样).Excellent coursewarec c.金属的纯度纯度对导热系数影响很大 如：含碳为1%的普通碳钢的导热系数为4545W/mK，不锈钢的导热系数仅为1515 W/mK。a a.在所有固体中，金属金属是最好的导热体。1.1.固体的导热系数固体的导
4、热系数.一般，一般，T，纯金属纯金属Excellent courseware表4-1 常用固体材料的导热系数固体 温度，导热系数，(W/mK)铝 300 230 铜 100 377 熟铁 18 61 铸铁 53 48 银 100 412 钢(1%C)18 45 不锈钢 20 16 石墨 0 151 石棉板 50 0.17 石棉 0100 0.15 耐火砖 1.04 保温砖 0100 0.120.21 建筑砖 20 0.69 绒毛毯 0100 0.047 棉毛 30 0.050 玻璃 30 1.09 软木 30 0.043 最大最大Excellent courseware 金属液体金属液体导热系
5、数较高液体 非金属液体非金属液体导热系数较低c c.一般来说，溶液 纯液体。a a.在非金属液体非金属液体中，水水的导热系数最大。2.2.液体的导热系数液体的导热系数.绝大多数液体（除水和甘油）：T，液液Excellent courseware表4-2 液体的导热系数液体 温度，导热系数，W/mK 醋酸50%20 0.35 苯 30 0.16 氯化钙盐水30%30 0.55 乙醇80%20 0.24 甘油60%20 0.38 甘油40%20 0.45 正庚烷 30 0.14 水银 28 8.36 硫酸90%30 0.36 硫酸60%30 0.43 水 30 0.62 最大最大Excellent
6、 courseware.在通常的压力范围内,其导热系数随压力压力变化很小.c c.气体的导热系数很小,故对导热导热不利,但对保温保温有利。3.3.气体的导热系数气体的导热系数a.通常，通常，T，气气在压力大于200MPa时 p，气气 压力小于2.7kPa(20mmHg)时故工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。Excellent courseware表4-3 气体的导热系数气体 温度，导热系数,W/mK 氢 0 0.17 二氧化碳 0 0.015 空气 0 0.024 空气 100 0.031 甲烷 0 0.029 水蒸汽 100 0.025 氮 0 0.024 乙烯 0 0.017 氧
7、 0 0.024 乙烷 0 0.018 最大最大 总体：总体：固固液液气气Excellent courseware4.绝热材料的导热率绝热材料的导热率绝热材料:与温度温度、湿度湿度、组成组成及结构的紧密结构的紧密程度有关。特点特点：纤维状，多孔结构-孔隙空气小 小，空气多-密度小到一定值，孔隙尺寸越长，空气对流和热辐射传热作用增强，增大。所以，存在最佳密度，使最小。吸水-增大，保温性能变差，所以，要防水。Excellent courseware 物质在温度为t时的导热系数，W/m；大多数均质的材料，其导热系数与温度近似成直线关系，可用下式表示 =0 0(1+at)(1+at)a温度系数，对大多
8、数金属材料为负值，而对大多数非金属为正值，1/。0物质在0时的导热系数，W/m；Excellent coursewaren稳态法平板法热流计法n非稳态法瞬态热线法瞬态平面热源法探针法激光法3法0731-58523384Qq:327870170tel:18975285052导热系数的测量方法Excellent courseware稳态法Excellent courseware1.1.通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导 1.1 通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导假设假设：(1)A大，小；(2)材料均匀为常数常数；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。t1t2txdxQxQx+d
9、x则：当x=0时，t=t1 x=时，t=t2 若平壁侧面的温度t1及t2恒定，边界条件边界条件Excellent courseware根据傅立叶定律根据傅立叶定律 dxdtAQdxAQdttt021)(21ttAQ分离变量后积分（设不随t而变）得或AttQ)(21)(21ttAQq式中式中Q 热流量或传热速率，W或J/s；A 平壁的面积，m2；平壁的厚度，m；平壁的导热系数，W/(m)；t1,t2 平壁两侧的温度，。Excellent courseware【讨论讨论】：QtR推动力热阻ttt()12AR1可表示为推动力：热阻：Excellent courseware例例1-1 1-1 现有一厚
10、度为现有一厚度为240mm240mm的砖壁，内壁温度的砖壁，内壁温度为为600600，外壁温度为，外壁温度为150150。试求试求通过每平方米通过每平方米砖壁的热量。已知该温度范围内砖壁的平均导热砖壁的热量。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数系数=0.6W/m=0.6W/m。)(21ttAQ)(21ttAQq=0.60(600-150)/0.24=1125 W/m2解：解：Excellent coursewaren球体法n实验仪器球壁导热仪n适用材料适用材料 用于测定粉状、颗粒状、纤维状干用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密度下的导热系数燥材料在不同填充密度下的导热系数Excell
11、ent courseware圆球法测定绝热材料的导热系数是以圆球法测定绝热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径球坐标中，考虑到温度仅随半径 r 而变，而变，故是一维稳定温度场导热。故是一维稳定温度场导热。实验时，在直径为实验时，在直径为 d1 和和 d2 的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电充被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，炉加热器。当加热时间足够长时，球
12、壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为内外壁面温度分别恒为 t1 和和 t2。根据这种状态，可以推导出导热系。根据这种状态，可以推导出导热系数数的计算公式。的计算公式。Excellent coursewaren根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：n （44-1）n式中：式中：Q 单位时间内通过球面的热流量，单位时间内通过球面的热流量，W；n 绝热材料的导热系数，绝热材料的导热系数，W/m；n dt/dx 温度梯度，温度梯度，/m；n A 球面面积，球面面积，A=4r2，m2。n 对（对（44-1）式进行分离变量，并根据上述条件取定
13、）式进行分离变量，并根据上述条件取定积分得积分得 n （44-2）Q=-Adt/dxdxdtAQdxdtAQExcellent courseware 假定导热系数为常数，在圆筒壁的内半径r1和外半径r2间进行积分 分离变量得移项，得 dtlrdrQ2dtlrdrQttrr21212)(2ln2112ttlrrQ1221ln)(2rrttlQdrdtrldxdtAQ2 r dr r2 t1 r1 dt t2t图4-11 单层平壁稳态热传导Excellent coursewareQddttd d()()2112122 其中：其中：r1、r2分别为内球外半径和外球内半径。积分得：分别为内球外半径和外
14、球内半径。积分得：（44-3）其中：其中：Q为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出所测隔热材料为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出所测隔热材料的导热系数。的导热系数。事实上，由于给出的事实上，由于给出的是隔热材料在平均温度是隔热材料在平均温度 tm=（t1+t2）/2时的导热系数。因时的导热系数。因此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径d1和和d2，热量，热量Q以及内外球面温度以及内外球面温度即可计算出平均温度即可计算出平均温度tm下隔热材料的导热系数。改变下隔热材料的导热系数。改变 t1 和和 t2，则可得到导热系数，则可得到导
15、热系数与温度关系的曲线。与温度关系的曲线。Excellent courseware 实验装置图如44 1所示。主要部件是两个铜制同心球壳1、2，球壳之间均匀填充被测隔热材料，内壳中装有电热丝绕成的球形电炉加热器3.铜康铜热电偶二支（测外壳壁温度），镍铬镍铝热电偶两支（测内壳壁温度）；均焊接在壳壁上。通过转换开关将热电偶信号传递到电位差计，由电位差计检测出内外壁温度。外界电源通过稳压器后输出稳压电源，经调压器供给球形电炉加热器一个恒定的功率。用电流表和电压表分别测量通过加热器的电流和电压。Excellent courseware图44-1 球壁导热仪实验装置 1.内球壳 2.外球壳 3.电加热器
16、 4.热电偶热端 5.转换开关 6.热电偶冷端 7.电位差计 8.调压器 9.电压表 10.电流表 11.绝热材料Excellent courseware1.将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层之中。层之中。2.按图按图44-1安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约检查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约34小时）。小时）。3.用温度计测出热电偶冷端的温度用温度计测出热电偶冷端的温度t0。4.每间隔每间隔510分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外下）。读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差下）。读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化小于计显示变化小于0.02 mv为准），温度达到稳定状态时再记录。共测为准），温度达到稳定状态时再记录。共测试试3组，取其平均值。组，取其平均值。5.测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系 6.关闭电源，结束实验。关闭电源，结束实验。Excellent courseware
