在文献中有许多发表的关于许多材料热传导特性的数值,有些可以追溯到19世纪。所有这些数据都是基于测量数据,因为没有导热系数的基准材料。在最好的情况下,发表的结果是在受控条件下用不同的技术从许多测量中整理而成的,即所谓的Round Robin测试。如果是这样,所有测量值的平均值可能是对真实值的一个公平的估计,但绝不会少包含误差和偏差,以及未知的幅度。

a) 准确度和精度差。 b) 准确度差,但精度好。 c) 准确度好(平均接近中心点),但精度差。 d) 准确度和精度好。

连接比热和导热系数

与上述描述唯一的例外是水的热容。根据定义,1卡路里是在20°C的温度下,将1克水的温度升高1摄氏度所需要的能量。在SI单位中,水的Cp在20°C是4.18 J/gK。因为这是比热的定义,所以它是准确和正确的。已知单位体积比热(密度乘以Cp)等于导热系数除以热扩散系数,我们就有很好的机会通过同时测量水的导热系数和扩散系数来测试准确度。20℃时,纯水密度为1.00 g/cm3,单位体积比热容为4.18 MJ/m3K。

测试水

要测量水,必须提前注意一些问题:水需要蒸馏,以去除所有离子。它还必须进行脱气,并保存在密封的容器中,以去除溶解的气体并防止与空气接触时新的吸收。用这种方法制备的水样本被密封在一个装有Hot Disk传感器的容器中,并进行相应的测试。

采用符合ISO 22007-2标准的TPS 2500 S仪器进行分析。采用半径为3.2 mm的传感器,加热功率为25 mW,测量时间为3 s。

结果

水的导热系数在0 ~ 100℃之间,用Hot Disk TPS 2500 S测量结果如下。
Temp. [°C] λ [W/m/K] Std. κ [mm2/s] Std. ρCp [MJ/m3K] Std.
0 0.5864 0.009 0.133 0.005 4.41 0.11
20 0.6075 0.028 0.147 0.018 4.18 0.33
40 0.6691 0.038 0.173 0.026 3.94 0.47
60 0.7310 0.027 0.200 0.021 3.68 0.27
80 0.7938 0.028 0.239 0.025 3.35 0.22
100 0.8580 0.017 0.268 0.022 3.21 0.17
20 0.6270 0.012 0.158 0.008 3.97 0.13

 

水的初始测量温度为20℃,结果显示Cp为4.186 MJ/m3K。然后在0°C和以20°C为台阶上升到100°C时进行测试,最后在20°C再次进行测试。当样品开始溶解周围空气中的气体时,Cp值逐渐减小,如上20°C数据所示。

在每个温度下都进行了5次测量,并计算每个温度下的标准偏差,以评估测试的精度。标准差也被用来计算可信度水平,这样小的变化可以被判断为真实的或随机的。在这些实验标准差都被证明在2σ水平。

结论

用Hot Disk方法同时测量了热导率和扩散率。再根据这些测量值,计算出单位体积比热容。没有使用或需要校准或与标准进行任何比较,因此Hot Disk方法是绝对的。计算结果与预期比热值很好的吻合,可以得出热导率和扩散率结果具有很高确定性的准确度。在热导率和扩散率不准确的情况下却得到和理论值相同的计算比热的风险是可以忽略的。

 

作者: Lars Häldahl博士

编辑: Daniel Cederkrantz博士