水的測量精度和導(dǎo)熱系數(shù)
發(fā)表時間：2019-09-08
通常用兩個數(shù)據(jù)來描述分析技術(shù)有多“好”。一個是準(zhǔn)確度，表示測量結(jié)果有多準(zhǔn)確，另一個是精確度，表示結(jié)果的重現(xiàn)性有多好。本應(yīng)用說明處理導(dǎo)熱系數(shù)測量的準(zhǔn)確性，利用水來舉例說明如何保證Hot Disk測量的質(zhì)量。
在文獻(xiàn)中有許多發(fā)表的關(guān)于許多材料熱傳導(dǎo)特性的數(shù)值，有些可以追溯到19世紀(jì)。所有這些數(shù)據(jù)都是基于測量數(shù)據(jù)，因?yàn)闆]有導(dǎo)熱系數(shù)的基準(zhǔn)材料。在最好的情況下，發(fā)表的結(jié)果是在受控條件下用不同的技術(shù)從許多測量中整理而成的，即所謂的Round Robin測試。如果是這樣，所有測量值的平均值可能是對真實(shí)值的一個公平的估計，但絕不會少包含誤差和偏差，以及未知的幅度。
連接比熱和導(dǎo)熱系數(shù)
與上述描述唯一的例外是水的熱容。根據(jù)定義，1卡路里是在20°C的溫度下，將1克水的溫度升高1攝氏度所需要的能量。在SI單位中，水的Cp在20°C是4.18 J/gK。因?yàn)檫@是比熱的定義，所以它是準(zhǔn)確和正確的。已知單位體積比熱(密度乘以Cp)等于導(dǎo)熱系數(shù)除以熱擴(kuò)散系數(shù)，我們就有很好的機(jī)會通過同時測量水的導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)來測試準(zhǔn)確度。20℃時，純水密度為1.00 g/cm3，單位體積比熱容為4.18 MJ/m3K。
測試水
要測量水，必須提前注意一些問題:水需要蒸餾，以去除所有離子。它還必須進(jìn)行脫氣，并保存在密封的容器中，以去除溶解的氣體并防止與空氣接觸時新的吸收。用這種方法制備的水樣本被密封在一個裝有Hot Disk傳感器的容器中，并進(jìn)行相應(yīng)的測試。
采用符合ISO 22007-2標(biāo)準(zhǔn)的TPS 2500 S儀器進(jìn)行分析。采用半徑為3.2 mm的傳感器，加熱功率為25 mW，測量時間為3 s。
結(jié)果
水的導(dǎo)熱系數(shù)在0 ~ 100℃之間，用Hot Disk TPS 2500 S測量結(jié)果如下。
水的初始測量溫度為20℃，結(jié)果顯示Cp為4.186 MJ/m3K。然后在0°C和以20°C為臺階上升到100°C時進(jìn)行測試，最后在20°C再次進(jìn)行測試。當(dāng)樣品開始溶解周圍空氣中的氣體時，Cp值逐漸減小，如上20°C數(shù)據(jù)所示。
在每個溫度下都進(jìn)行了5次測量，并計算每個溫度下的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評估測試的精度。標(biāo)準(zhǔn)差也被用來計算可信度水平，這樣小的變化可以被判斷為真實(shí)的或隨機(jī)的。在這些實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差都被證明在2σ水平。
結(jié)論
用Hot Disk方法同時測量了熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率。再根據(jù)這些測量值，計算出單位體積比熱容。沒有使用或需要校準(zhǔn)或與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行任何比較，因此Hot Disk方法是絕對的。計算結(jié)果與預(yù)期比熱值很好的吻合，可以得出熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率結(jié)果具有很高確定性的準(zhǔn)確度。在熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率不準(zhǔn)確的情況下卻得到和理論值相同的計算比熱的風(fēng)險是可以忽略的。
作者：Lars Häldahl博士
編輯：Daniel Cederkrantz博士
