Характеристика теплового транспорта в одномерных твердых материалов

1. Процедура Эксперимент Соберите образец. В этой работе, человеческие образцы глава волосы собраны из 30-летнего здорового азиатских женщин. Приостановить образец между двумя медными электродами, как показано на рисунке 1а. Применить серебряной пасты на образец-электрода контакт, чтобы уменьшить тепловые и электрические контактные сопротивления до незначительного уровня. Используйте микроскоп, чтобы сделать предварительную проверку образца и убедитесь, что серебряная паста не загрязняет условный образец. Поскольку образцы человеческая голова волос не электропроводящий, пальто за пределами образца с очень тонким слоем пленки золота (~ 40 нм), чтобы сделать его электропроводящий. Поместите образец в вакуумную камеру и насос ее до 1-3 мТорр. Поток тока шаг постоянного через образец ввести электрическое отопление и наведенного напряжения времени (V – т) профиль будет записан с помощью осциллографа. </li> Получить образец из камеры и пальто с другом тонким слоем пленки золота (~ 40 нм), и повторите шаги 1.5 и 1.6. Подготовьте новый образец с разной длины, и повторите шаги 1.2-1.7. Используйте сканирующего электронного микроскопа (SEM), чтобы охарактеризовать длину и диаметр образцов (длинные и короткие из них). 2. Обработка данных Нормализовать рост экспериментальная температурная первой, и проведение теоретических установку, что, используя различные пробные значения температуропроводности образца. Эта процедура обсуждается в работе Го 1 в деталях. Затем вычтите эффект радиационных потерь и паразитной проводимости на температуропроводности, и вычислить теплопроводность. Подробности приведены ниже. Определить эффективное температуропроводности Схема установки эксперимента ТЕТ показан на рисунке 1а. При измерении, кормить шаг токчерез образец, чтобы побудить джоулева нагрева. Используйте осциллограф для записи наведенного напряжения, без стажа (V – Т) профиля, которая представлена ​​на рисунке 1b. Как быстро / медленно повышении температуры определяется двумя конкурирующими процессами: один джоуль отопление, а другой является теплопроводность от образца к электродам. Выше температуропроводности образца приведет к более быстрому эволюции температуры, а это означает более короткое время, чтобы достичь устойчивого состояния. Таким образом, переходные изменения напряжения / температуры могут быть использованы для определения коэффициента температуропроводности. При определении коэффициента температуропроводности образца, никакого реального повышения температуры не требуется. В самом деле, только нормированный повышение температуры на основе увеличения напряжения используется. Процессы определения температуропроводности и теплопроводности, изложены ниже. Упростить передачу тепла одномерным: Возьмите теплопередачу образца в одном измерении вдоль осевое направление. Примечание: длина провода должна быть гораздо больше, чем его диаметр. Подробнее можно отнести к работе Го 1. Решение для нормированной повышением температуры (T *, также известный как пространственного средней температуры по всей выборки) над образцом для одномерной задачи переноса тепла, используя следующее уравнение: (1) α и L являются температуропроводность и длина образца. Решите для нормированного повышении температуры от эволюции напряжения (V провод), записанного осциллографа, а также проводить данных, установленных для определения температуропроводности. Напряжение на проводе связана с его температуры, как: 0 "/> (2) R 0 является сопротивление образца до нагревания, я ток, проходящий через образец, и к теплопроводности. Д 0 является электрическое отопление мощность на единицу объема. Очевидно, что изменение измеренного напряжения по своей природе связана с изменением температуры образца. Нормализованная повышение температуры Т * ехр на основе экспериментальных данных может быть рассчитана как T * ехр = (V проволоки – V 0) / (V 1 – V 0), где V 0 и V 1 являются начальные и конечные напряжения на образец (как показано на фиг.1В). После получения T * ехр, использовать различные пробные значения α для теоретической T *, применяя уравнение 1 и установите эксперитаты (Т * ехр). MATLAB используется для программирования, чтобы сравнить экспериментальные и теоретические значения путем применения наименьших квадратов технику, и взять величину, дающую наилучшего соответствия T * ехр как температуропроводности образца. Вычтите эффект радиационных потерь и газа проводимости Во ТЕТ тепловой характеристике, эффект радиационных потерь может быть существенным, если образец имеет очень большой пропорции (L / D, D: диаметр образца), особенно для образцов низкой теплопроводностью. Кроме того, если давление в вакуумной камере не очень низким, передача тепла в воздух будет влиять на измерения в некоторой определенной степени. Скорость передачи теплоты излучения от поверхности образца может быть выражена как: , (3) WheRe ε является эффективный коэффициент излучения образца, площадь поверхности A S, T температура поверхности, T 0 температура окружающей среды (вакуумной камеры), а θ = T -. Т 0 В большинстве случаев, θ << Т 0 , то: (4) По преобразования излучения поверхности и газа проводимость к источнику охлаждения тела, передача управляющих уравнение теплопроводности для образца становится: , (5) где ч-коэффициент газа проводимости. В нашей физической модели, так как электроды намного больше, чем образца и имеют превосходную теплопроводность, температура образца берется при комнатной температурет контакт. Потому что θ (х, т) = Т (х, т) – Т 0, граничное условие θ (0, T) = θ (L, T) = θ (х, 0) = 0. Решение уравнения 5 является: (6) Здесь е определяется как – (16 εδT 0 3 / D +4 ч / D) L 2 / π 2 к, который является безразмерной. Это тип из числа Био, размер которого указывает количество потерь тепла от стороны образца. Интеграция это уравнение по х-направлении и средней температуры может быть получен: (7) Так нормированная пр.Температура ярость: (8) После тщательного численного и математического исследования, с α эф = α (1 – е), Т * можно аппроксимировать (9) Числовые расчеты были проведены для изучения достоверность выше приближении. Обратите внимание, что, когда е меньше 0, максимальная абсолютная разница во всем переходном состоянии меньше 0,014 (показано на рисунке 2). Наконец: (10) Поскольку эксперимент проводится в вакуумной камере при очень низком давлении (1-3 мтор), эффект газового проводимости (ч) является пренебрежимо BLE. Так упростить уравнение 10, как: (11) Это уравнение показывает, что измеренный коэффициент температуропроводности с использованием метода ТЕТ имеет линейную зависимость с эффектом радиационных потерь (4 εσT 0 3). Используйте такую ​​теоретическую подготовку вычесть влияние радиационных потерь и газа проводимости. Определить реальный Температуропроводность и теплопроводность Определенный температуропроводность (α) в уравнении 11 по-прежнему имеет эффект паразитной проводимости, если тестируемый образец покрывают тонкой пленкой золота. Транспортный эффект теплового вызвано слоя с покрытием могут быть вычтены используя закон Видемана-Франца с незначительным неопределенности. Реальный коэффициент температуропроводности (α) образца определяется как 1: 0,1 в "высота =" 47 "Первоначально" / files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif "ширина =" 134 "/>, (12) рс р основе объема удельная теплоемкость, которые могут быть получены от калибровки, бесконтактного фото-термического метода или измерением плотности и теплоемкости отдельно. L Lorenz, T, и это количество Lorenz, температура образца и площадь поперечного сечения, соответственно. Потому что , Очевидно, что α эф имеет линейную зависимость с 1 / R, поэтому в эксперименте, покрытия одной пробы с золотой пленки в два раза (что вызовет изменение 1 / R) и тестирование в два раза может устранить эффект паразитной проводимости по подгонки кривой. Для реального теплопроводности к, он может быть легко оценена с помощью K = рс р45;.