蓋雙旗

(梧州學(xué)院 數(shù)理系,廣西 梧州 543002)

利用便攜式熱流計(jì)測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)

蓋雙旗

(梧州學(xué)院 數(shù)理系,廣西 梧州 543002)

摘要：將工程測(cè)量中使用的便攜式熱流計(jì)引入到大學(xué)物理的測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了使用便攜式熱流計(jì)測(cè)量墻體的導(dǎo)熱系數(shù)和測(cè)量人體的傳導(dǎo)散熱功率等實(shí)驗(yàn)，以此為例介紹了引入實(shí)際工程測(cè)量技術(shù)手段設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方法.

關(guān)鍵詞：便攜式熱流計(jì)；導(dǎo)熱系數(shù)；熱阻；散熱功率

1測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法以穩(wěn)態(tài)法為主，其具有物理原理簡(jiǎn)單明晰、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精確度較高的優(yōu)點(diǎn). 以梧州學(xué)院數(shù)理系為例，實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器為FD-TC-B導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)中先將加熱盤設(shè)定溫度后加熱樣品，達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，可認(rèn)為加熱盤通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤向周圍環(huán)境的散熱量相等，通過測(cè)出穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)樣品上下表面的溫度散熱盤在該溫度下的散熱速率、樣品的厚度等就可以計(jì)算出該樣品的導(dǎo)熱系數(shù)[1].

圖1　FD-TC-B導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀

考慮到導(dǎo)熱系數(shù)是物體熱性質(zhì)中經(jīng)常需要進(jìn)行實(shí)際工程測(cè)量的重要參量，而工程上測(cè)量物體導(dǎo)熱系數(shù)采用的主要是熱流計(jì)法，其物理原理也是傅里葉導(dǎo)熱定律，學(xué)生很容易理解掌握，因此可將價(jià)格便宜、使用方便的便攜式單點(diǎn)熱流計(jì)引入到測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，這樣既可以拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，開拓學(xué)生視野，又增長(zhǎng)了學(xué)生實(shí)用技術(shù)的訓(xùn)練，做到把課堂教學(xué)和工程實(shí)踐有效結(jié)合. 從實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐價(jià)值和學(xué)生興趣出發(fā)，增設(shè)了2個(gè)與生產(chǎn)生活實(shí)際聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：“用便攜式熱流計(jì)測(cè)量墻體的導(dǎo)熱系數(shù)”和“用便攜式熱流計(jì)測(cè)量人體的傳導(dǎo)散熱功率”.

2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h2>

學(xué)習(xí)使用便攜式熱流計(jì)測(cè)量待測(cè)物的熱流密度和導(dǎo)熱系數(shù)，了解便攜式熱流計(jì)的使用方法和測(cè)量要求.

2.2　實(shí)驗(yàn)器材

圖2為MW8-JTR0I便攜式單點(diǎn)熱流計(jì).

圖2　MW8-JTROI便攜式單點(diǎn)熱流計(jì)

2.3　實(shí)驗(yàn)原理

熱流計(jì)，全稱熱流密度計(jì)，用來測(cè)量通過熱流計(jì)的熱流密度. 因?yàn)闊崃鱾鞲衅骱鼙?，不考慮熱流向四周擴(kuò)散的情況，該熱流即是通過被測(cè)對(duì)象的熱流，并且該熱流平行于溫度梯度方向，即通過熱流傳感器的熱流為一維導(dǎo)熱[2].

根據(jù)溫差電效應(yīng), 當(dāng)熱流傳感器兩側(cè)存在溫差時(shí)，傳感器就有熱電勢(shì)輸出，而且輸出的熱電勢(shì)E與溫差ΔT成正比. 由傅里葉定律可知，通過傳感器的熱流密度q與溫差ΔT也成正比，即q=CE，其中比例系數(shù)C為熱流傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù).

熱流計(jì)測(cè)量示意圖如圖3所示，待測(cè)物的熱阻R和導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式為

(1)

(2)

其中，T1為冷端溫度，T2為熱端溫度，q為熱流密度，d為待測(cè)物的厚度.

圖3　熱流計(jì)檢測(cè)示意圖

2.4　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1)測(cè)量墻體的導(dǎo)熱系數(shù)

a.選取實(shí)驗(yàn)室的一處墻體，測(cè)出其厚度d. 把便攜式熱流計(jì)的溫度傳感器貼在墻體兩側(cè)表面上，一端粘貼在外墻上，一端粘貼在內(nèi)墻對(duì)應(yīng)處；把熱流傳感器粘貼在緊靠溫度傳感器的內(nèi)墻上.

b.使用便攜式熱流計(jì)每隔1 min記錄1次墻體內(nèi)外側(cè)的溫度值T1和T2，墻體傳熱的熱流密度值q.

2)測(cè)量人體的傳導(dǎo)散熱功率

a.選取人體軀干的某個(gè)部位，把便攜式熱流

計(jì)的溫度傳感器一端粘貼在人體體表皮膚上， 一端粘貼在衣服外側(cè)的對(duì)應(yīng)處；把熱流傳感器貼在衣服外側(cè)的溫度傳感器旁邊.

b.使用便攜式熱流計(jì)每隔1 min記錄1次衣服外內(nèi)側(cè)的溫度值T1和T2，人體傳導(dǎo)散熱的熱流密度值q.

2.5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1)由(2)式可以計(jì)算墻體導(dǎo)熱系數(shù)λ，墻體厚度為d.

2)計(jì)算人體傳導(dǎo)散熱功率Wq=qA，其中人體表面積計(jì)算公式為A=0.006 1h+0.012 4m-0.009 9，式中h為身高(cm)，m為體重(kg).

2.6　實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

a.熱流傳感器與被測(cè)物粘貼的緊密程度，對(duì)熱流密度的測(cè)量有很大影響. 粘貼越緊密，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，測(cè)量偏差越小.

b.墻體內(nèi)外、人體衣服內(nèi)外的溫差最好保持在10 ℃左右. 測(cè)量處注意不受加熱、制冷裝置的直接影響，且應(yīng)避免陽光直射和風(fēng)速的影響[3].

c.人體傳導(dǎo)散熱的受測(cè)者應(yīng)感覺溫度舒適，靜坐在座椅上,保持身體溫度且無出汗現(xiàn)象.

2.7　實(shí)驗(yàn)思考題

a.墻體的傳熱是非穩(wěn)態(tài)傳熱，在同一時(shí)刻所測(cè)得的溫度值和熱流密度值，實(shí)際上兩者在時(shí)間上并不吻合. 同時(shí)由于墻體的蓄熱作用，由外表面進(jìn)入墻體內(nèi)部的熱流密度值與同一時(shí)刻由墻體內(nèi)部流出的熱流密度值并不相同[4]. 要想得到較為準(zhǔn)確的墻體的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)值，可以采取哪些辦法？

b.人體的傳導(dǎo)散熱情況與環(huán)境溫度和人體穿著有關(guān)，同時(shí)人體各部位的傳導(dǎo)散熱情況也并不相同，要想全面和準(zhǔn)確地測(cè)量人體的傳導(dǎo)散熱功率，可以采取哪些辦法？

c.穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)你使用便攜式熱流計(jì)測(cè)量墻體導(dǎo)熱系數(shù)和人體傳導(dǎo)散熱功率實(shí)驗(yàn)有何借鑒和啟示？

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和說明

以下為學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)間為2014年6月初16時(shí)左右，實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣溫度為24 ℃，室外空氣溫度為36 ℃左右.

1)實(shí)驗(yàn)室墻體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1.

表1　5個(gè)學(xué)生小組墻體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

分析：實(shí)驗(yàn)室墻體的結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外依次為20 mm混合砂漿、200 mm多孔磚、20 mm混合砂漿、面磚[5]. 從學(xué)生測(cè)量數(shù)據(jù)來看，各學(xué)生小組測(cè)量出的墻體內(nèi)表面溫度數(shù)值相差不大. 但2，3，5組測(cè)出的墻體外表面溫度高于室外空氣溫度，墻體向外散熱，不符合設(shè)想的一維穩(wěn)態(tài)傳熱的情況. 這時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的熱流密度q值要大于墻體一維穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)的熱流密度，而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的墻體導(dǎo)熱系數(shù)λ要大于實(shí)際墻體的導(dǎo)熱系數(shù). 同時(shí)由于選取了實(shí)驗(yàn)室不同方位的墻體作為測(cè)量點(diǎn)，因此2，3，5組和1，4組學(xué)生測(cè)量出的熱流密度值相差很大.

2)人體傳導(dǎo)散熱功率測(cè)量數(shù)據(jù)，見表2.

表2　5個(gè)學(xué)生小組人體傳導(dǎo)散熱測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

分析：人體皮膚溫度的舒適范圍為31.5~34.5 ℃[6]. 從學(xué)生測(cè)量數(shù)據(jù)來看，體表溫度和衣服表面溫度基本相同，即基本上都達(dá)到了穩(wěn)態(tài)傳熱. 但測(cè)量的熱流密度值相差較大，這與學(xué)生穿著的衣物有關(guān)，也與學(xué)生的測(cè)量狀態(tài)有關(guān). 同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中由于測(cè)量部位只限于軀干部位，并不能全面反映身體其他部位的傳導(dǎo)散熱情況.

值得指出的是，對(duì)于這種從實(shí)際工程測(cè)量技術(shù)中轉(zhuǎn)化而來的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生興趣是很濃厚的. 但是由于測(cè)量時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)方法較粗糙，學(xué)生不可能得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 只要學(xué)生小組把自己測(cè)量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)彼此相差很大，如果教師再提供一些參考數(shù)值，學(xué)生會(huì)更加驚訝. 而正是這種差異和驚訝，會(huì)促使學(xué)生去思考實(shí)驗(yàn)誤差出現(xiàn)的原因. 有興趣，有思考，學(xué)生就有了進(jìn)行下一步學(xué)習(xí)和研究的動(dòng)力和方向，實(shí)驗(yàn)思考題的設(shè)立就是為了讓學(xué)生在下一步的學(xué)習(xí)和研究方向上得到有針對(duì)性的指引. 以前許多學(xué)生做這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在重新設(shè)計(jì)后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生總能發(fā)現(xiàn)一些自己感興趣的、想要深入研究下去的內(nèi)容.

4構(gòu)建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思考

在“測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)”實(shí)驗(yàn)中增設(shè)上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的主要在于讓學(xué)生了解到實(shí)際工程測(cè)量技術(shù)手段，并對(duì)物理原理如何在實(shí)際工程測(cè)量中應(yīng)用產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)，合理補(bǔ)充和有效提高原有學(xué)生實(shí)驗(yàn)的價(jià)值. 這種借用實(shí)際工程測(cè)量技術(shù)手段來重新設(shè)計(jì)大學(xué)物理學(xué)生實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)用有效，操作性強(qiáng)，并可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性. 學(xué)校的各個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，甚至社會(huì)企事業(yè)中一些更新替換下來的工程測(cè)量?jī)x器都可以接收過來，引入到相關(guān)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際工程測(cè)量過程和方法重新設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目. 這樣做不僅可以解決現(xiàn)實(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中理論難以聯(lián)系實(shí)際的問題，還可以針對(duì)高校中不同的理工科專業(yè)建設(shè)滿足不同培養(yǎng)目標(biāo)的特色大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7].

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Measuring thermal conductivity of poor conductor using

portable heat-flow meter

GAI Shuang-qi

(Department of Mathematics and Physics, Wuzhou College, Wuzhou 543002, China)

Abstract:From the point of improving students’ application ability, the portable heat-flow meter used in engineering was introduced into measurement of thermal conductivity coefficient of poor conductor in university physics experiment. Experiments of measuring the thermal conductivity of wall and the heat dissipation of human using portable heat-flow meter were designed. The ways of designing college physics experiments using engineering survey technology were discussed in general.

Key words:portable heat-flow meter; thermal conductivity; thermal resistance; thermal design power

中圖分類號(hào)：O551.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)03-0025-03

作者簡(jiǎn)介：蓋雙旗(1973-)，男，河北石家莊人，梧州學(xué)院數(shù)理系講師，從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和研究.

收稿日期：2014-04-07；修改日期：2014-07-01

資助項(xiàng)目:廣西高等教育教學(xué)改革工程A類項(xiàng)目(No.2012JGA214)；梧州學(xué)院教改項(xiàng)目(No.Wyjg2013A009)