利用便携式热流计测量不良导体导热系数

盖双旗

(梧州学院 数理系,广西 梧州 543002)

利用便携式热流计测量不良导体导热系数

盖双旗

(梧州学院 数理系,广西 梧州 543002)

摘要：将工程测量中使用的便携式热流计引入到大学物理的测量不良导体导热系数实验中，设计了使用便携式热流计测量墙体的导热系数和测量人体的传导散热功率等实验，以此为例介绍了引入实际工程测量技术手段设计大学物理实验项目的方法.

关键词：便携式热流计；导热系数；热阻；散热功率

1测量不良导体的导热系数实验简介

测量不良导体的导热系数实验是基础学生实验，该实验的实验方法以稳态法为主，其具有物理原理简单明晰、实验操作简单、测量精确度较高的优点. 以梧州学院数理系为例，实验测量仪器为FD-TC-B导热系数测定仪，如图1所示. 实验中先将加热盘设定温度后加热样品，达到稳态传热时，可认为加热盘通过样品传递的热流量与散热盘向周围环境的散热量相等，通过测出稳态传热时样品上下表面的温度散热盘在该温度下的散热速率、样品的厚度等就可以计算出该样品的导热系数[1].

图1　FD-TC-B导热系数测定仪

考虑到导热系数是物体热性质中经常需要进行实际工程测量的重要参量，而工程上测量物体导热系数采用的主要是热流计法，其物理原理也是傅里叶导热定律，学生很容易理解掌握，因此可将价格便宜、使用方便的便携式单点热流计引入到测量不良导体的导热系数实验中，这样既可以拓展实验内涵，开拓学生视野，又增长了学生实用技术的训练，做到把课堂教学和工程实践有效结合. 从实验的实践价值和学生兴趣出发，增设了2个与生产生活实际联系紧密的实验项目：“用便携式热流计测量墙体的导热系数”和“用便携式热流计测量人体的传导散热功率”.

2实验项目的设计

2.1　实验目的和要求

学习使用便携式热流计测量待测物的热流密度和导热系数，了解便携式热流计的使用方法和测量要求.

2.2　实验器材

图2为MW8-JTR0I便携式单点热流计.

图2　MW8-JTROI便携式单点热流计

2.3　实验原理

热流计，全称热流密度计，用来测量通过热流计的热流密度. 因为热流传感器很薄，不考虑热流向四周扩散的情况，该热流即是通过被测对象的热流，并且该热流平行于温度梯度方向，即通过热流传感器的热流为一维导热[2].

根据温差电效应, 当热流传感器两侧存在温差时，传感器就有热电势输出，而且输出的热电势E与温差ΔT成正比. 由傅里叶定律可知，通过传感器的热流密度q与温差ΔT也成正比，即q=CE，其中比例系数C为热流传感器的转换系数.

热流计测量示意图如图3所示，待测物的热阻R和导热系数λ的计算公式为

(1)

(2)

其中，T1为冷端温度，T2为热端温度，q为热流密度，d为待测物的厚度.

图3　热流计检测示意图

2.4　实验内容

1)测量墙体的导热系数

a.选取实验室的一处墙体，测出其厚度d. 把便携式热流计的温度传感器贴在墙体两侧表面上，一端粘贴在外墙上，一端粘贴在内墙对应处；把热流传感器粘贴在紧靠温度传感器的内墙上.

b.使用便携式热流计每隔1 min记录1次墙体内外侧的温度值T1和T2，墙体传热的热流密度值q.

2)测量人体的传导散热功率

a.选取人体躯干的某个部位，把便携式热流

计的温度传感器一端粘贴在人体体表皮肤上， 一端粘贴在衣服外侧的对应处；把热流传感器贴在衣服外侧的温度传感器旁边.

b.使用便携式热流计每隔1 min记录1次衣服外内侧的温度值T1和T2，人体传导散热的热流密度值q.

2.5　实验数据处理

1)由(2)式可以计算墙体导热系数λ，墙体厚度为d.

2)计算人体传导散热功率Wq=qA，其中人体表面积计算公式为A=0.006 1h+0.012 4m-0.009 9，式中h为身高(cm)，m为体重(kg).

2.6　实验注意事项

a.热流传感器与被测物粘贴的紧密程度，对热流密度的测量有很大影响. 粘贴越紧密，达到稳定的状态，测量偏差越小.

b.墙体内外、人体衣服内外的温差最好保持在10 ℃左右. 测量处注意不受加热、制冷装置的直接影响，且应避免阳光直射和风速的影响[3].

c.人体传导散热的受测者应感觉温度舒适，静坐在座椅上,保持身体温度且无出汗现象.

2.7　实验思考题

a.墙体的传热是非稳态传热，在同一时刻所测得的温度值和热流密度值，实际上两者在时间上并不吻合. 同时由于墙体的蓄热作用，由外表面进入墙体内部的热流密度值与同一时刻由墙体内部流出的热流密度值并不相同[4]. 要想得到较为准确的墙体的导热系数实验数值，可以采取哪些办法？

b.人体的传导散热情况与环境温度和人体穿着有关，同时人体各部位的传导散热情况也并不相同，要想全面和准确地测量人体的传导散热功率，可以采取哪些办法？

c.稳态法测量不良导体导热系数实验中的实验方法对你使用便携式热流计测量墙体导热系数和人体传导散热功率实验有何借鉴和启示？

3实验结果的分析和说明

以下为学生实验数据，测量时间为2014年6月初16时左右，实测实验室室内空气温度为24 ℃，室外空气温度为36 ℃左右.

1)实验室墙体导热系数测量数据见表1.

表1　5个学生小组墙体导热系数测量数据对比表

分析：实验室墙体的结构从内向外依次为20 mm混合砂浆、200 mm多孔砖、20 mm混合砂浆、面砖[5]. 从学生测量数据来看，各学生小组测量出的墙体内表面温度数值相差不大. 但2，3，5组测出的墙体外表面温度高于室外空气温度，墙体向外散热，不符合设想的一维稳态传热的情况. 这时实验测出的热流密度q值要大于墙体一维稳态传热时的热流密度，而且根据实验数据计算出的墙体导热系数λ要大于实际墙体的导热系数. 同时由于选取了实验室不同方位的墙体作为测量点，因此2，3，5组和1，4组学生测量出的热流密度值相差很大.

2)人体传导散热功率测量数据，见表2.

表2　5个学生小组人体传导散热测量数据对比表

分析：人体皮肤温度的舒适范围为31.5~34.5 ℃[6]. 从学生测量数据来看，体表温度和衣服表面温度基本相同，即基本上都达到了稳态传热. 但测量的热流密度值相差较大，这与学生穿着的衣物有关，也与学生的测量状态有关. 同时在实验中由于测量部位只限于躯干部位，并不能全面反映身体其他部位的传导散热情况.

值得指出的是，对于这种从实际工程测量技术中转化而来的实验项目，学生兴趣是很浓厚的. 但是由于测量时间短，实验环境不严格，实验方法较粗糙，学生不可能得出准确的实验结果. 只要学生小组把自己测量出的实验数据相互比较，就会发现彼此相差很大，如果教师再提供一些参考数值，学生会更加惊讶. 而正是这种差异和惊讶，会促使学生去思考实验误差出现的原因. 有兴趣，有思考，学生就有了进行下一步学习和研究的动力和方向，实验思考题的设立就是为了让学生在下一步的学习和研究方向上得到有针对性的指引. 以前许多学生做这个实验只是为了得到准确的测量数据，而现在重新设计后的实验项目让学生总能发现一些自己感兴趣的、想要深入研究下去的内容.

4构建实验项目的思考

在“测量不良导体的导热系数”实验中增设上述2个实验的目的主要在于让学生了解到实际工程测量技术手段，并对物理原理如何在实际工程测量中应用产生直观认识，合理补充和有效提高原有学生实验的价值. 这种借用实际工程测量技术手段来重新设计大学物理学生实验的方式实用有效，操作性强，并可激发学生学习的积极主动性. 学校的各个专业实验室，甚至社会企事业中一些更新替换下来的工程测量仪器都可以接收过来，引入到相关的大学物理实验中，根据实际工程测量过程和方法重新设计大学物理实验项目. 这样做不仅可以解决现实大学物理实验教学中理论难以联系实际的问题，还可以针对高校中不同的理工科专业建设满足不同培养目标的特色大学物理实验项目[7].

参考文献：

[1]覃以威. 大学物理实验Ⅱ[M]. 南宁：广西师范大学出版社，2010：49-52.

[2]田斌守，杨永恒，孟渊，等. 应用热流计现场检测建筑物传热系数[J]． 新型建筑材料，2004，30(8)：59-61.

[3]吴玉杰，赵志愿，李玉娜. 热流计法在建筑节能现场检测中的应用[J]． 建筑节能，2008，36(3)：73-75.

[4]龙赣生，熊国华，潘阳，等. 热流计法检测墙体热阻的影响因素分析及处理措施[J]． 能源管理与研究，2012，28(3)：40-42.

[5]冯小平，张鹏飞，黄伟民，等. 在非采暖地区应用热箱-热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨[J]． 新型建筑材料，2010，36(8)：61-64.

[6]王宏亮. 测试人体散热量与服装隔热值的实验设计与研究[J]. 物理实验，2000，20(6)：11-13.

[7]俞熹，乐永康，冀敏，等. 美国大学物理教学和管理考察报告[J]. 物理实验，2013，33(4)：14-20.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O551.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0025-03

作者简介：盖双旗(1973-)，男，河北石家庄人，梧州学院数理系讲师，从事大学物理实验的教学和研究.

收稿日期：2014-04-07；修改日期：2014-07-01

资助项目:广西高等教育教学改革工程A类项目(No.2012JGA214)；梧州学院教改项目(No.Wyjg2013A009)