相变贮能 第03讲 贮热相变材料热物性的测定方法
物理实验技术使用中的相变材料测试方法
物理实验技术使用中的相变材料测试方法相变材料是一种特殊的物质，它在特定的温度下会发生物理性质的改变。
这种材料在许多领域有着广泛的应用，从能源存储到传感器技术。
在物理实验中，相变材料的测试方法至关重要，它们可以帮助科学家们更好地理解和探索这些材料的行为。
在实验中，最常用的相变材料之一是记忆合金。
记忆合金是一种能够在受力后恢复到原始状态的材料。
它在实验室中的测试方法之一是应力-应变测试。
这种测试方法可以帮助科学家们研究记忆合金的机械性能和形状记忆效应。
应力-应变测试需要使用一个拉伸装置，通过施加力来改变材料的形状。
科学家们可以测量材料在不同应力下的应变，从而获得一个应力-应变曲线。
这个曲线能够告诉他们关于材料的弹性和塑性行为的信息。
对于记忆合金来说，这个曲线在相变温度附近会出现突变，这标志着材料从强烈的塑性变形转变为形状记忆效应。
另一种常见的相变材料是磁性相变材料。
这些材料在外加磁场的作用下会发生结构相变，从而改变其磁性质。
在物理实验中，磁性相变材料的测试方法之一是磁化率测试。
磁化率是材料对外加磁场响应的度量。
磁化率测试利用了磁敏感仪器，如磁力计或霍尔传感器，来测量材料在不同磁场下的磁场强度。
通过改变外加磁场的强度和方向，科学家们可以获得一个磁化率曲线。
这个曲线能够提供关于材料磁性相变的信息，例如相变温度和相变行为的特征。
除了记忆合金和磁性相变材料，还有其他一些相变材料在物理实验中也有广泛的应用。
例如，超导材料是一种在低温下具有零电阻的材料。
超导材料的测试方法之一是临界电流测试。
这种测试方法可以帮助科学家们确定材料的超导转变温度以及其在不同电流下的电阻特性。
临界电流测试需要使用一个电流供应器和一个电压传感器来测量材料在不同电流下的电压响应。
通过改变电流的大小和方向，科学家们可以获得一条临界电流曲线。
这个曲线能够告诉他们关于材料的超导性能和转变温度的信息。
总之，物理实验技术在相变材料的测试中起着至关重要的作用。
材料热物性能测量的新方法研究
材料热物性能测量的新方法研究导言在工程和科学领域中，热物性能是一项非常重要的研究课题。
热物性能是研究物质在受热时所表现出来的性质，包括导热系数、比热容和热膨胀系数等。
测量这些物性参数可以帮助人们了解材料的热特性，在工程和科学应用中有着广泛的应用价值。
然而，传统的热物性能测量方法往往需要昂贵的设备和耗费大量的时间。
近年来，科学家们已经探索出了一些新的方法来测量热物性能，这些方法具有快速、准确和经济等优势。
本文将重点介绍最新的材料热物性能测量方法的研究进展。
热工分析法热工分析法是一种常用的热物性能测量方法。
热工分析法通过热脉冲法、热流平衡法和雷诺法等方法测量材料的热导率、比热和热膨胀系数等热物性能参数。
热脉冲方法是利用热敏电阻或其它热敏元件来检测热脉冲的传播速度和幅度等参数，从而计算出材料的热导率。
热流平衡法是利用热电偶等设备测量热流的大小和方向，并在恒温环境下测量样品的温度变化，从而计算出材料的热导率、比热和热膨胀系数等参数。
雷诺法是在已知热物性参数的标准物质上进行测量，从而确定待测物质的热物性能参数。
这些方法需要复杂的仪器和耗费很长的时间才能测量。
红外线辐射法红外线辐射法是一种新的热物性能测量方法。
该方法利用红外线热像仪来测量物体的表面温度，并通过时间-温度信号分析技术将表面温度转化为材料的比热容和热导率等参数。
红外线辐射法具有测量速度快、非接触式测量和准确度高等优势，已经成为材料热物性能测量领域的研究热点之一。
红外线辐射法可以用于测量各种材料的热物性能，包括陶瓷、金属、塑料和复合材料等。
此外，红外线辐射法还可以用于测量材料的热变形和热应力，具有广泛的应用前景。
电磁感应法电磁感应法是一种新型的热物性能测量方法。
该方法利用高频电磁场在材料中产生涡流和热耗散，通过测量材料表面温度和涡流强度等参数，可以计算出材料的热导率、比热和热膨胀系数等参数。
电磁感应法具有测量速度快、非接触式测量和高分辨率等优势，可以用于测量各种材料的热物性能。
相变材料的储热
相变材料的储热摘要:热能储存可以通过蓄热材料的冷却、加热、熔化、凝固。
气化、化学反应等方式实现。
它是一种平衡热能供需和使用的手段。
热能储存按储热方式可分为三类，即显热储能、潜热储能和化学反应储热。
关键词：相变;储热;复合材料;引言：相变材料（PCM）在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的。
相变储能技术通过相变材料相变时吸收或放出大量热量以达到能量存储的目的，是常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。
正文一、相变储热材料应用的意义当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题。
开发利用可再生能源对节能和环保具有重要的现实意义。
发展热能存储技术尤为重要，热能存储就是把通过一定的方式把占时应用不到应用不完的多余的热和废热存储起来，适时还可以另作他用。
该技术在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、气废热和余热的回收利用、工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。
二、相变储能材料分类及材料的选择1、相变储热材料的分类（1）从材料的化学组成来看，主要分为无机相变材料和有机相变材料。
无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等无机物。
与无机类相变储能材料相比，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒，腐蚀等优点。
其中石蜡类相变潜热量大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。
但石蜡类相变储能材料热导率较低，也限制了其应用范围。
为有效克服石蜡类有机化合物相变储能材料的缺点，同时改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围，复合相变储能材料应运而生。
复合相变材料由较稳定的有机化合物和具有较高导热系数的无机物颗粒制备而得，因而复合相变材料具有稳定的化学性质，无毒无腐蚀性或毒性和腐蚀性小。
同时它的导热能力较有机物有较大的改善。
（2）从蓄热过程中材料相态的变化方式来看，分为固-液相变、固-固相变、固-气相变和液-气相变四类。
贮热相变材料
白色粉末状结晶。密度1.395g/cm3。熔点261～262℃。 沸点（4kPa)276℃。燃点＜370℃。气化热＜92kJ/mol， 升华热131.5kJ/mol。
易被一般有机酸酯化，与稀烧碱溶液同煮无反应。15℃ 时1g溶于18mol水。溶于乙醇、甘油、乙二醇、甲酰胺。 不溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和石油醚等。
溶解熵 kJ/kgK
0.622 0.452 0.428 0.459 0.430 0.404 0.705 0.332 0.259 0.199 0.220 0.194 0.246 0.175 0.641
密度 kg/m3
2.80 2.16 2.48 2.32 2.70 1.74 2.37 1.99 2.53
2.75 1.55 3.46 2.69 2.13
21
附表12-1Al的比热（ kJ/kgK ） 、潜热（ kJ/kg ）值
文献
1
2
3
4
5
6
固态比热
1.29 1.084 0.949 0.920 0.953 0.912-1.031
液态比热
1.20
潜热
400 395.7 388 400 387 342-405
11
1、贮热相变材料的相变形式
相变图
12
附表8 固-固相变材料相变物性表
材料名称
Pentaerythritol季戊四醇 C(CH2OH)4 Pentaglycerine五甘氨酸 Li2SO4 Cross-linked polyethene交联聚乙烯 KHF2 Neopentyl glycol新戊二醇C5H12O2
14
硫氰化铵固固相变 固液相变
15
2.贮热相变材料的分类
相变储能材料的制备及性能分析
相变储能材料的制备及性能分析相变储能材料是一种具有快速储存和释放大量热量的材料，因此在能量储存领域具有广泛的应用前景。
在本篇文章中，我们将探讨相变储能材料的制备方法和其性能。
一、制备方法相变储能材料的制备方法主要有物理方法和化学方法两种。
1. 物理方法物理方法通过刻蚀、蒸发、溅射、热蒸发等手段直接制造相变储能材料。
这些方法可以获得高质量的相变储能材料，但成本较高。
2. 化学方法化学方法主要通过溶剂法、沉淀法、水热法等方法制备相变储能材料。
这些方法成本较低，但制造的材料可能存在杂质或缺陷。
二、性能分析相变储能材料具有以下重要性能：1. 热容量相变储能材料的热容量决定了其储存和释放热量的能力。
高热容量的材料可以储存更多的热量，从而提高其储能效率。
2. 相变温度相变储能材料的相变温度是其最重要的性能指标。
在室温下，相变储能材料应该保持稳定状态，只有当其受到外界热量刺激时，才会发生相变。
相变温度的选择应根据具体应用场景进行考虑，例如太阳能集热器需要在较低温度下储存太阳能，而储能系统需要在更高的温度下储存能量。
3. 热稳定性相变储能材料在储存和释放热量过程中会产生热膨胀和收缩，这可能会导致材料的破坏。
因此，热稳定性是相变储能材料必须具备的重要性能之一。
4. 循环寿命相变储能材料需要经历多次储存和释放热量的循环，因此其循环寿命也是非常重要的。
如果一个相变储能材料只能循环使用几次，那么其实用价值就会受到极大限制。
5. 热传导性能相变储能材料的热传导性能决定了其储存和释放热量的速度。
良好的热传导性能可以提高材料的输出功率和输入功率，从而提高储能效率。
结论相变储能材料作为一种新型能量储存材料，其制备和性能分析尚处在不断的研究和探索中。
相信随着科学技术和应用需求的不断提高，其性能和应用领域将会得到更广阔的发展和应用。
物理实验技术中的材料热学性能测试方法与技巧
物理实验技术中的材料热学性能测试方法与技巧引言热学性能是描述材料传导热量特性的重要指标，对于材料的热传导、绝缘效果以及制冷技术的应用具有重要意义。
在物理实验中，研究材料的热学性能需要借助相应的测试方法和实验技巧。
本文将介绍一些常见的材料热学性能测试方法和技巧，以期对读者的研究和实验工作有所启发。
一、热导率测试方法及技巧热导率是材料热学性能中的重要参数，它描述材料在温度梯度下传导热量的能力。
常用的热导率测试方法包括热板法、热管法和热流计法。
1. 热板法热板法是一种常见的热导率测量方法，它通过测量材料上的温度梯度和热通量，计算得出热导率。
在实验中，需要注意以下几点技巧：- 确保热板与材料表面间的良好接触，使用适当的压力或热导率测量胶固定材料和热板。
- 控制环境温度和湿度，避免外界因素对实验结果的影响。
- 减小热辐射对实验的干扰，使用合适的屏蔽措施或选择较低的测试温度。
- 测量前后要进行校准，保证测试结果的准确性。
2. 热管法热管法是一种基于热管原理的热导率测试方法。
通过利用热管内的工作介质，在温度梯度作用下传热，测量介质两端的温度差和热流量，计算出热导率。
使用热管法进行热导率测试时需注意以下技巧：- 选择适当的工作介质和热管材料，使测试结果更加准确。
- 控制好测试环境的温度和湿度，保证实验条件的稳定。
- 测量过程中要小心操作，避免对热管和介质产生不良影响。
3. 热流计法热流计法是一种间接测量热导率的方法，通过测量材料中的热流和温度分布，计算得出热导率。
在进行热流计法实验时，需要注意以下技巧：- 确保热流计与材料表面之间的良好接触，避免热接触电阻对测试结果的影响。
- 针对不同测试要求，选择适当的热流计类型和测量方法。
- 测量过程中要掌握技巧，避免外界因素对实验结果的影响。
二、导热系数测试方法及技巧导热系数是描述材料热传导能力的重要指标，它与热导率密切相关。
常用的导热系数测试方法包括平板法、线热源法和悬臂梁法。
中科大相变储能课件02贮热相变材料的热物性和工作性能-3贮热相变材料的工作性能及研究方法
Grodzka P G. Phase Change Storage System. In: W.C.Dickinson, N.Cheremisimoff, Solar energy technology handbook, Part A: Engineering Fundamentals, Marcel Dekker, Inc., 1980.
8
过冷与结晶速率
KF.4H2O 熔点18.5 Na2SO4.10H2O熔点32.4 过冷——结晶 结晶速度低
Schroeder J, Gawron K. Latent heat storage, Energy Research, 1981; 5:103-109.
9
结晶类型
Grodzka 对冷凝和熔解过程涉及的物理过程进行了 全面地分析。
10
如图a，处于熔点温度Tm的溶液在隔热的容器 中被冷却，结晶簇都会以以下方式进行。 如果液体被快速冷却，而且成核较差，那么液 体可能仅被过度冷却而没有结晶。 更高的过冷可能导致液体转变为玻璃体。
11
B表示液相和固相都处于过冷，而结晶从 冷却的壁面有秩序地发展。暗示结晶速 度较慢。另外，材料内部的温度或多或 少是均匀的。
6
DSC解析难度高
解析DSC曲线决不只是一个技术问题，有时还 是一个困难的研究课题。因为解析DSC曲线所 涉及的技术面和知识面较广。为了确定材料转 变峰的性质，不但要利用DSC以外的其他热分 析手段，如DSC-TGA联用，还要借助其他类型 的手段，如DSC-GC联用，DSC与显微镜联用， 红外光谱及升降温原位红外光谱技术等。这就 要求解工作者不但要通晓热分析技术，还要对 其他技术有相应的了解，在此基础上结合研究 工作不断实践积累经验，提高解析技巧和水平。
相变材料热物性测试方法
（ ＤＳ Ｍ Ｃ）ａｅｕ ｉｅ ｓｌａ ｒｓｎ ． Ｏｔ ｅ ｎ ｌｅ ｔ Ｉｍｅｈ ｄ ｎ ｌｄ ｈ ｓｏ ｙ ｍｅｈ ｄ ａ ｄ ａ ｓｌ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｏ ｏ ｒ ｎｖ ｒａ ｔｐ ｅ ｅ ｔ ｈ ｒｉｆ ｎ ｉ ｔｏ ｓｉｃｕ ｅＴ－ ｉｔ ｒ ｔ ｏ ｎ ｅｆ ｅｉｎ ｄ ｍｅｈ ｄ ｆ ｒ ｕ ａ －
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ
ｐ ａｅｃ ａ ｇ ｔｒ ｌ ，ｔ ｅｍａ ｒ ｐ ｒｙ ｅｔｎ ｈ ｓ ｈ ｎ ｅｍａｅｉ ｓ ｈ ｒ ｌ ｏ ｅｔ ，ｔ ｓｉｇ ａ ｐ
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11
国际温标(ITS-90)的固定点
物质a He e-H2 e-H2 e-H2 Ne* O2 Ar Hg H2O 平衡态b VP TP VP(CVGT) VP(CVGT) TP TP TP TP TP 温度T90/K 3～ 5 13.8033 ～17 ～20 24.5561 54.3358 83.8058 234.3156 273.16 物质a Ga* In* Sn Zn Al* Ag Au Cu* 平衡态b MP FP FP FP FP FP FP FP 温度T90/K 302.9146 429.7485 505.078 692.677 933.473 1234.94 1337.33 1357.77
气体温度计
气体温度计的原理是基于PV/T=常数，分为定容气体温度计和 定压气体温度计,多用氢气或氦气作测温物质. 1. 定容气体温度计是气体的体积保持不变，压强随温度改变。 2. 定压气体温度计是气体的压强保持不变，体积随温度改变。 定压气体温度计精度高，测量范围大（-260 ℃~160 ℃），性 能稳定，可用作温度标准器。但结构复杂，操作，使用和修正 麻烦。故除在高温范围外，实际工作中一般者使用定容气体温 度计。
个固定的数值，而和其他性质如压强等无关。 这一结论又叫做Nernst(能斯脱)热定理。 2. 不可能用有限的手续使系统冷却到绝对零度。 这个结论叫做绝对零度不可到达原理。
Left side: Absolute zero can be reached in a finite number of steps if S(0,X1)≠S(0, X2). Right: An infinite number of steps is needed since S(0,X1)= S(0,X2).
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热电偶
B、E、K、J、 R、 S、T七种标准化热电偶 S热电偶 铂铑10-铂 0℃-1300℃ B热电偶 铂铑30-铂铑6 600 ℃ -1700 ℃ E热电偶 镍铬-铜镍 -40 ℃ - 800 ℃ K热电偶 镍铬-镍硅 -40 ℃ -1000 ℃ R热电偶 铂铑13-铂 0 ℃ -1400 ℃ J热电偶 铁-康铜 -200 ℃ - 600 ℃ T热电偶 铜-康铜 -100 ℃ - 400 ℃ N热电偶 镍铬硅-镍硅镁 -40 ℃ -1300 ℃
3
温度测量理论
热力学第零定律
1. 2.
3.
4. 5.
如果两个热力学系统中的每一个都和第三个热力学系统处于 热平衡，那么，它们彼此也必定处于热平衡。这个结论叫做 热力学第零定律。 The zeroth law of thermodynamics states that if two separate thermodynamic systems are each in thermal equilibrium with a third, then all three are in thermal equilibrium with each other. 热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础。这个定律 反映出,处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一 个共同的宏观特征，这个特征就是由这些互为热平衡系统的 状态所决定的一个数值相等的状态函数。这个状态函数被定 义为温度。 定义是定性的。只能判断两系统的温度相等或不等，只是标 定而非测量。 通常物理量测量都是用标准单位的整数或小数表示。
第二章
贮热相变材料的热物性和工作性能
第一部分
焦冬生 热科学和能源工程系
1
提纲
贮热相变材料热物性 理论计算相变潜热 改善相变材料的热物性
导热系数和比热容
2
一、贮热相变材料的热物性及测定方法
相变材料的热物性
相变温度、相变潜热、导热系数、比热容、密度、膨胀系数
温度测量 热量测量 一般卡计法； 热分析法
温标。
并规定：
Q2 Q1
2 1
称为热力学温标
定义水的三相点温度(热力学温标)θtr=273.16 K
由卡诺定理得到的热力学温标，温度才有“比”
意义上的测量.
7
温度测量理论
理想气体状态方程
PV nRT
测量成为可能
8
温度测量理论
热力学第三定律
1. 当温度趋向于绝对零度时，系统的熵趋向于一
14
热电偶温度计简介
热电偶
15
在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效
应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学 家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发 展，并日趋完善。 塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的 闭合回路中，如果对接点a加热，那么，a,b两 接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流 产生，使得接在电路中的电流表发生偏转。这 一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相 应的电势称为温差热电势或塞贝克电势，它在 热电偶回路中产生的电流称为热电流。
4
温度测量理论
热力学第二定律 热量总是自发地从高温物体(系统)传到低温物 体。 功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、 连续不断地把所获得的热量转变为功。 第二定律从热量自发流动的方向判别出物体温
度的高低。
The second law of thermodynamics states that "Every
process occurring in nature proceeds in the sense in which the sum of the entropies of all bodies taking part in the process is increased.
5
温度测量理论
卡诺定理
18
热电动势由两部分电动势组成，
1. 一部分是两种导体的接触电动势， 2. 另一部分是单一导体的温差电动势。
热电偶原理示意图
19
热电偶的基本定律
1、均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两 接点的温度如何，热电动势为零。 2、中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体 的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。 3 、标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产 生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所 产生的热电动势也就已知。
差热分析法 (Differential Thermal Analysis, DTA)； 差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)
导热系数
稳态法（Steady-state methods） 瞬态法（Transient methods）
a. e-H2指平衡氢，即正氢和仲氢的平衡分布，在室温下正常氢含75%正氢、 25%仲氢；* 第二类固定点 b. VP-蒸汽压点；CVGT-等容气体温度计点；TP-三相点(固、液和蒸汽三 相共存的平衡度)；FP-凝固点和MP-熔点(在一个标准大气压101325Pa下， 固、液两相共存的平衡温度)，同位素组成为自然组成状态。 12
10
温标
Temperature scales differ in two ways: the point chosen as zero degrees, and the magnitudes of incremental units or degrees on the scale. The Celsius scale (°C) is used for common temperature measurements in most of the world. It is an empirical scale. It developed by a historical progress, which led to its zero point 0 °C being defined by the freezing point of water, with additional degrees defined so that 100 °C was the boiling point of water, both at sea-level atmospheric pressure. Because of the 100 degree interval, it is called a centigrade scale. Since the standardization of the kelvin in the International System of Units, it has subsequently been redefined in terms of the equivalent fixing points on the Kelvin scale, and so that a temperature increment of one degree celsius is the same as an increment of one kelvin, though they differ by an additive offset of 273.15. The United States commonly uses the Fahrenheit scale, on which water freezes at 32 °F and boils at 212 °F at sea-level atmospheric pressure. Many scientific measurements use the kelvin temperature scale (unit symbol K), named in honor of the Scottish physicist who first defined it. It is a thermodynamic or absolute temperature scale. Its zero point, 0K, is defined to coincide with coldest physically-possible temperature (called absolute zero). Its degrees are defined through thermodynamics. The temperature of absolute zero occurs at 0K = -273.15°C (or −459.67 °F), and the freezing point of water at sea-level atmospheric pressure occurs at 273.15K =0°C.