不同金屬材料在不同熱源加熱下的熱傳導研究

余　東，王昆林

(楚雄師范學院，云南 楚雄　675000)

*通訊聯系人

不同金屬材料在不同熱源加熱下的熱傳導研究

余東，王昆林*

(楚雄師范學院，云南 楚雄675000)

摘 要：本文分別采用酒精燈火焰和CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線對銅、鋁、鐵正入射加熱，用DIS信息化系統測量各種情況下的溫升情況。通過實驗發現采用CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線正入射加熱時鋁、鐵出現反常溫升現象，從理論上進行分析得到了正確的解釋。

關鍵詞：DIS數字化信息系統；CO2激光器；銅、鋁、鐵；溫升；熱導率；吸收率

熱是能量存在的一種表現形式，溫度則是熱能的衡量尺度。不同溫度的物質之間，根據能量守恒的原則進行熱交換——熱傳導[1-3]。熱傳導是一種能量傳輸的過程，但熱傳導的規律總是由溫度較高的物體把熱量傳給溫度較低的物體。在同一物質之間也是如此，能量從高溫區域向低溫區域傳導，最后達到熱平衡，即穩態。

金屬材料的熱傳導是一個值得研究的問題，不同的金屬材料熱傳導性是不同的，但應該遵守同一基本原理，可用固體熱傳導微分方程：

(1)

選取3種不同的金屬材料銅、鋁、鐵作為研究對象，使用DIS數字化信息系統作為采集處理數據輔助工具對其熱傳導進行研究，考慮到加熱熱源的不同情況，分別采用酒精燈直接加熱、CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線正入射加熱，以進行比較性研究。

1研究方案的設計

實驗在空氣中進行金屬材料在受熱源加熱的同時，不可避免的要向空氣中散熱，為此設計在金屬材料的末端打一直徑為0.3cm深度為1.0 cm的小圓孔，將DIS信息化系統的傳感器插入其中這樣避免了金屬材料表面散熱對其實驗的影響。采用DIS數字化信息系統、可方便的連續采集到材料內溫度隨時間變化的數據并作出其圖像。其基本過程是傳感器采集到金屬內的溫度，由數據采集器采集轉換成數字信號傳給計算機配合DIS-Lab專業軟件將不同時刻金屬內的溫度變化曲線直接在屏幕上顯示出來。根據不同的金屬在不同的熱源下所生成的溫度圖像，分析金屬的熱傳導特性。選用銅、鋁、鐵三種金屬分別在酒精燈下加熱和CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線正入射加熱情況下進行實驗研究。實驗裝置見圖1。

圖1　實驗裝置

2銅、鋁、鐵3種柱狀金屬材料在酒精燈加熱下的熱傳導研究

將尺寸相同高為3.20 cm，直徑為2.00 cm的柱狀銅、鋁、鐵3種金屬材料分別按圖1組裝好，采用酒精燈作為熱源，調節其高度使酒精燈的外焰其溫度為860.0 ℃直接對材料的底部加熱，同時啟動DIS數字化信息系統采集到數據并自動作出時間溫度圖像。

2.1實驗數據表

銅柱熱傳導實驗結果見表1。

表1　 銅柱熱傳導部分數據表

鋁柱熱傳導實驗結果見表2。

表2　鋁柱熱傳導部分數據表

鐵柱熱傳導實驗結果見表3。

表3　鐵柱熱傳導部分數據表

2.2各種金屬材料熱傳導溫度時間圖像

由上述實驗數據和圖像，見圖2-4，可看出，在單位時間內溫度的上升及溫度變化率為銅柱最大、鋁柱次之、而鐵柱最慢，如：當加溫時間達到50 s時銅柱的溫度上升到120 ℃，鋁柱達到114.2 ℃鐵柱的為96.1 ℃。即在酒精燈外焰直接加熱的情況下銅柱的導熱最快鋁柱次之鐵柱最弱。也就是說銅的熱導率最大鋁的次之鐵的最弱。

圖2　銅柱熱傳導溫度時間圖像

圖3　鋁柱熱傳導溫度時間圖像

圖4　鐵柱熱傳導溫度時間圖像

3銅、鋁、鐵3種柱狀金屬材料在CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線正入射加熱下的熱傳導研究

用CO2激光器替換酒精燈作為熱源，對3種金屬材質的柱體進行正入射加熱，對比研究。紅外線是一種波長大于760 nm的不可見光。而CO2激光器所發出的CO2激光波長10.6 μm屬于紅外線的范圍[5-6]。不同波長的電磁波所載運輻射能的差別很大，而在λ=0.1～1 000 μm之間的電磁波被物體吸收時可顯著地轉變為熱能，也稱該范圍內的電磁波為熱射線[1]。實驗采用通用型CO2激光器，其窗口溫度為560 ℃。按圖1所示分別對銅、鋁、鐵柱體的底部近窗口正入射加熱，采用DIS數字化信息系統測量溫度隨時間的變化情況，進行研究。

3.1CO2激光正入射加熱實驗數據表

銅柱熱傳導數據見表4。

表4　銅柱熱傳導部分數據表

續表4

鋁柱熱傳導數據見表5。

表5　鋁柱熱傳導部分數據表

鐵柱熱傳導數據見表6。

表6　鐵柱熱傳導部分數據表

3.2各種金屬材料熱傳導溫度時間圖像

采用CO2激光正入射加熱，由于CO2激光器窗口溫度560 ℃小于酒精燈外焰溫度860 ℃，3種材質的金屬柱體升溫較慢。由實驗數據和圖像(圖5-7)可看出，在單位時間內溫度的上升及溫度變化率為銅柱最大、鐵柱次之、而鋁柱最慢，如：當加溫時間達到500 s時銅柱的溫度上升到79.7 ℃，鋁柱達到45.3 ℃鐵柱的為62.9 ℃。即在CO2激光正入射加熱的情況下銅柱的導熱最快鐵柱次之鋁柱最弱。這與酒精燈加熱的情況下相比鋁材柱體的導熱情況發生了變化即出現了熱導率λ發生了變化。

圖5　銅柱熱傳導溫度時間圖像

圖6　鋁柱熱傳導溫度時間圖

圖7　鐵柱熱傳導溫度時間圖

酒精燈加熱情況下：λ銅> λ鋁> λ鐵

在CO2激光正入射加熱情況下：λ銅> λ鐵> λ鋁

從理論上來分析這是不可能的，金屬的熱導率λ與化學組成和內部結構有關，一般來說在相同的環境下金屬的熱導率λ是固定不變的，見表7。

而與所加熱的熱源無關，出現這種情況是什么原因呢？從鋁材柱體進行分析：實驗采用的鋁柱體是純鋁做成的，表面有較好的光潔度。CO2激光器發出的是紅外光。不同的金屬材料對CO2激光是會有不同的吸收作用從而出現不同的情況。查詢相關文獻可得鋁、鐵金屬材料對波長為10.6 μm的CO2激光正入射激光的吸收率見表8[7]。

表7　3種金屬材料熱導率表

表8　鋁、鐵材料對10.6 μm正入射CO2激光的吸收率

由表8可見鐵對10.6 μm正入射CO2激光的吸收率大于鋁的吸收率，故而采用CO2激光正入射加熱在相同時間的加熱情況下鐵的溫升大于鋁的溫升。也就是說金屬材料對CO2激光有反射作用，而且鋁的反射大于鐵的反射[8-10]。從而出現上述實驗結果。

4結論

由上實驗和理論分析可知采用CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線對銅、鋁、鐵正入射加熱和用酒精燈火焰對銅、鋁、鐵直接加熱情況是不同的。用酒精燈加熱銅、鋁、鐵材料的溫升顯示屬正常狀態情況；而用CO2激光對銅、鋁、鐵材料正入射加熱，在相同的加熱時間內出現了鐵的溫升大于了鋁的溫升的反常情況，其主要原因是鐵對正入射CO2激光器發射的波長為10.6 μm的紅外線的吸收率大于鋁的吸收率從而導致反常情況的出現。

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Different Metal Materials under Different Heat Source Heating of Heat Transfer Research

YU Dong，WANG Kun-lin

(Chuxiong Normal University,Yunnan Chuxiong 675000)

Abstract：It uses alcohol lamp flame and infrared ray produced by CO2 laser,which wavelength is 10.6μm to heat copper aluminum and iron,using DIS digital information system to measure the actually changing of temperature in different condition.According to this experiment we would find that using infrared ray which produced by CO2 laser and wavelength is 10.6μm to heat copper aluminum and iron will appear opposite phenomenon compared with the normal,we can get the correct explanation from theoretical analyzing.

Key words：DIS digital information system；CO2 laser；copper；aluminum,iron；temperature rise；thermal conductivity；the absorption rate

收稿日期：2015-11-20

文章編號：1007-2934(2016)02-0021-05

中圖分類號：O 4-34

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.006