吉曉瑞

(沈陽工程學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 沈陽 110136)

當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳向較低處，這種現(xiàn)象稱作熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)也叫導(dǎo)熱。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法，大體分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩大類[1,2]，在高校實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)態(tài)平板法應(yīng)用得較多，因?yàn)楸容^方便教學(xué)，學(xué)生操作不是特別煩瑣。其他種類的如杭州大華儀器制造有限公司的YQF-1型圓球法導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，精密一些的就是連接電腦自動(dòng)測溫的一些新型儀器，本質(zhì)就是把手工測溫和讀數(shù)的環(huán)節(jié)用電腦進(jìn)行代替，這樣即增加了儀器成本，學(xué)生動(dòng)手操作環(huán)節(jié)又少了。

導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，吉高峰等討論了熱源溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測量的影響[3]，孫慶龍研究了不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系[4]，唐小村將導(dǎo)熱系數(shù)開發(fā)成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[5]。大家的研究都是建立在實(shí)驗(yàn)操作過程非常標(biāo)準(zhǔn)的前提下，改變實(shí)驗(yàn)條件，看實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化情況。我們實(shí)驗(yàn)室也選用平板法類型的儀器，手動(dòng)測溫。選擇手動(dòng)操作比較多的實(shí)驗(yàn)儀器，能夠更好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，開闊視野[6]。本文對(duì)學(xué)生在課上操作不標(biāo)準(zhǔn)，容易引起測量誤差的情況做以歸納討論。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及操作

本實(shí)驗(yàn)室選用的是杭州大華的YBF-2型導(dǎo)熱系數(shù)測量儀，如圖1所示。主要包括主機(jī)，銅-康銅熱電偶，杜瓦瓶，硬鋁棒等。實(shí)驗(yàn)操作是將被測樣品很好地夾在上下兩個(gè)銅盤之間，上下銅盤的加熱-散熱要達(dá)到平衡，用熱電偶進(jìn)行不同位置的測溫等。

圖1 YBF-2型導(dǎo)熱系數(shù)測量儀及相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材

2 各操作環(huán)節(jié)易出現(xiàn)的不規(guī)范現(xiàn)象及調(diào)節(jié)方法

2.1 硬鋁棒相關(guān)問題對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1.1 鋁棒包裹隔熱層

鋁棒由于有一定高度，在熱傳導(dǎo)過程中，側(cè)面必然會(huì)散熱，為減小側(cè)面的散熱，鋁棒外用隔熱樹脂進(jìn)行包裹，包裹層越厚，隔熱效果越理想，越有利于減小實(shí)驗(yàn)誤差。但無論怎樣包裹，勢必不可能做到完全隔熱。所以嚴(yán)格地說，鋁棒傳熱散熱平衡是上表面吸收熱量，側(cè)面和底面共同散熱的一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。圖2為試樣鋁棒，外側(cè)包裹一層隔熱樹脂，以減少側(cè)面熱量的散失。實(shí)際上，鋁棒側(cè)面散熱對(duì)鋁棒導(dǎo)熱系數(shù)是有一定影響的[7]，但實(shí)驗(yàn)室條件下，無法做到鋁棒側(cè)面絕對(duì)的隔熱。

圖2 包裹隔熱樹脂的鋁棒

加熱銅盤我們稱為上銅盤，是固定在上端加熱裝置上的，不帶調(diào)節(jié)螺絲，只能上下調(diào)節(jié)高度，下銅盤作為散熱盤，靠三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)水平。鋁棒居中夾在上下銅盤之間時(shí)，容易出現(xiàn)的問題、原因及解決辦法如下。

2.1.2 調(diào)節(jié)螺絲擰到底還是不能滿足需要

原因是學(xué)生沒有先行調(diào)節(jié)好加熱盤的高度，致使散熱盤下的三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲長度不能滿足需要。解決辦法是先將三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲全部退到最低-放好下銅盤-放好鋁棒-對(duì)好各個(gè)測溫孔朝向-壓好上銅盤，順序是自下而上依次放置，這樣就很好地解決了調(diào)節(jié)螺絲長度不夠的問題。

2.1.3 鋁棒夾偏

原因是學(xué)生坐在操作臺(tái)前，只下意識(shí)的觀察前面部分的銅盤和鋁棒，忽略了從鋁棒側(cè)面和后面再細(xì)致觀察。解決辦法是先均勻調(diào)節(jié)三個(gè)調(diào)平螺絲，在調(diào)節(jié)過程中要多觀察鋁棒的側(cè)面和后面是否出現(xiàn)和銅盤的不貼合情況，再輕微旋轉(zhuǎn)鋁棒，如果很容易旋轉(zhuǎn)，說明鋁棒沒有被夾緊，當(dāng)調(diào)節(jié)到鋁棒已經(jīng)被夾的很緊了，旋轉(zhuǎn)很費(fèi)力時(shí)，最后再用紙從不同方向向鋁棒兩個(gè)底面和銅盤接觸處去插。雖然此時(shí)已經(jīng)基本上插不進(jìn)去紙了，但還應(yīng)用這種辦法檢查一下，避免出現(xiàn)問題?？谠E是一看二擰三插紙。圖3(a)所示為鋁棒夾偏的情況以及圖3(b)用紙片檢查底面縫隙。鋁棒夾的不緊不嚴(yán)，必然會(huì)在上下表面留有細(xì)細(xì)的空氣層，不利于傳熱?？諝鈱拥拇嬖跁?huì)導(dǎo)致傳熱不順暢，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)精度，這種情況可以說成是操作失誤而不是實(shí)驗(yàn)誤差。

圖3(a) 鋁棒夾偏

圖3(b) 鋁棒插紙檢查

2.1.4 測溫孔朝向問題

好多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)都忽略了銅盤和鋁棒的測溫孔朝向問題，當(dāng)夾緊鋁棒后，向測溫孔插熱電偶時(shí)才發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)銅盤的測溫孔和鋁棒的測溫孔朝向不一致，導(dǎo)致熱電偶線纏繞，非常不方便。圖4為熱電偶線繞到鋁棒右側(cè)的情況。

圖4 熱電偶線纏繞情況

2.2 熱電偶相關(guān)問題對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)室有導(dǎo)熱硅脂，比較好的做法是，先將硅脂填滿測溫孔后再插入熱電偶，但實(shí)際情況是，鋁棒和銅盤測溫孔太細(xì)，直徑為2 mm，銅盤孔深約6.5 cm，鋁棒約3 cm，導(dǎo)熱硅脂黏性太大，短時(shí)間內(nèi)根本無法很好地灌滿測溫孔。如果讓學(xué)生操作這件事，后果是硅脂浪費(fèi)很多，儀器衛(wèi)生無法保持，還無法達(dá)到效果要求。即便事先灌好，學(xué)生在操作過程中如果插拔多次熱電偶，也會(huì)從測溫孔內(nèi)帶出大部分硅脂。所以我們的做法是只在熱電偶上涂導(dǎo)熱硅脂，而不再向測溫孔內(nèi)灌硅脂，儀器經(jīng)常用，測溫孔內(nèi)會(huì)殘存一定量的硅脂，測量會(huì)出現(xiàn)少許誤差，綜合考慮我們還是這樣做。

熱電偶線是金屬外側(cè)包裹絕緣皮，線有一定長度，中間難免會(huì)有卷曲。所以測溫時(shí)要細(xì)心，熱電偶插入測溫孔后，避免在彈性恢復(fù)力作用下退出一小段，導(dǎo)致測溫出現(xiàn)失誤，這不是誤差。如上述所說的熱電偶線纏繞情況就極易引起測溫不準(zhǔn)確！

如果熱電偶尖端斷開了，不能像一般的銅芯導(dǎo)線那樣簡單的擰在一起，因?yàn)闊犭娕嫉墓ぷ髟硎莾煞N不同成分材質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路就會(huì)有電流通過。融合在一起的尖端才具有良好的傳導(dǎo)電流的能力，簡單擰在一起的熱電偶，接觸電阻大大增加，根本不符合熱電偶的工作要求。焊接方法是用短路法，將熱電偶斷開的尖端少量地?cái)Q在一起，連接到可調(diào)直流電壓源的一端，電源另一端連接一段普通導(dǎo)線。取一小杯清水作為導(dǎo)電媒介，導(dǎo)線放到水里，用鉗子夾住熱電偶向水面輕觸，調(diào)節(jié)電源電壓，直至熱電偶尖端在短路電流作用下融成一體。此操作存在一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生勿動(dòng)，必須專業(yè)人員來操作！

2.3 下銅盤散熱平衡點(diǎn)溫度讀取對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖5 同一散熱曲線不同點(diǎn)的切線

即使散熱平衡點(diǎn)相同，環(huán)境溫度不同，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。圖6為下銅盤在相同散熱平衡點(diǎn)處的散熱曲線以及切線，環(huán)境溫度較低時(shí)為切線1，環(huán)境溫度較高時(shí)為切線2。不同的熱平衡點(diǎn)，切線的斜率是不同的。

圖6 散熱盤在相同熱平衡點(diǎn)不同環(huán)境溫度下的冷卻速率曲線及切線圖

3 結(jié) 語

在測量硬鋁棒的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，很多操作環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。有我們無法避免的，如鋁棒側(cè)面散熱問題，我們無法做到完全的隔熱。減小影響的方法一是在鋁棒外側(cè)包裹一層隔熱樹脂，二是實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間長一點(diǎn)，盡量保持室內(nèi)沒有空氣流通，保持鋁棒以及散熱盤周圍溫度趨于穩(wěn)定，目的就是盡量提高環(huán)境溫度。在環(huán)境溫度較高時(shí)，可以30s時(shí)間間隔來讀取散熱盤的溫度，在環(huán)境溫度較低時(shí)，可以適當(dāng)縮短讀數(shù)的時(shí)間間隔。有的我們可以避免，如將鋁棒很好地夾在兩個(gè)銅盤之間，保證熱電偶測溫精準(zhǔn)無誤，保證熱平衡溫度點(diǎn)判斷準(zhǔn)確。這樣我們就可以得到比較精確的硬鋁棒的導(dǎo)熱系數(shù)。