不良导体导热系数测定.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流不良导体导热系数测定.精品文档.不良导体导热系数测定导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。一、 实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的

2、导热系数并用作图法求冷却速率。二、 实验仪器与用具热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪、物理天平、螺旋测微器、游标卡尺1 热导率测量的实验装置如图1所示接“下盘”内有温度传感器引线加热圆盘C待测材料B散热铝盘A接“上盘”内有加热引线和温度传感器引线图2 YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪的面板如图2所示YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪s温度设定上盘温度下盘温度测量选择下 盘上 盘加热开关启 动复 位设定温度粗选设定温度细选图三、 实验原理1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律

3、的基础之上测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。傅立叶指出，在dt时间内通过dS面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即： （1）式中为传热速率，是与面积dS相垂直的方向上的温度梯度，“”号表示热量由高温区域传向低温区域，是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI中的单位是。对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。如图3所示，设样品为一平板，且维持上下平面有稳定的温度（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为 =

4、 （2）式中为样品厚度，=为上表面的面积，（）为上、下表面的温度差，为导热系数。在实验中，要降低侧面散热的影响，就要减小，因为待测平板上下表面的温度是用加热圆盘C的底部和散热铝盘A的温度来代表，所以就必须保证样品与圆盘C的底部和铝盘A的上表面密切接触。t0/冷却曲线切线tbT1T2t2t/min图 图实验时，在稳定导热的条件下（值恒定不变），可以认为通过待测样品B盘的传热速率与铝盘A向周围环境散热的速率相等。因此可以通过测A盘在稳定温度附近的散热速率，得出样品的传热速率。在读取稳态时的之后，拿走样品B，让A盘直接与加热盘C底部的下表面接触，加热铝盘A，使A盘温度上升到比高6左右，再移去加热盘C

5、，让铝盘A通过外表面直接向环境散热（自然冷却），当A盘温度降至比高5时开始计时（计为），并读取此时A盘温度（即5）,以后每隔一分钟测一次温度A盘温度,直到温度比低5为止，记下此时时间（计为）和A盘温度（即-5），然后以时间为横坐标，以A盘温度T为纵坐标，做A的冷却曲线如图4所示，取和的中点,即，找出对应的时刻，过曲线上的点（t, ）做切线，且得出、（如图），则此切线的斜率就是A在时的自然冷却速率，为负表示散热。对于铝盘A，有加热盘C且稳态传热时，其散热的外表面积为，移去加热盘C后，A盘的散热外表面积为2+=（R+）,考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例，设有C盘时的散热速率为，移去C盘时的

6、散热速率为，则有：= （3）式中R和分别为A盘的半径和厚度。根据热容的定义，对温度均匀的物体，有=mc (4)对应铝盘A，就有=mc, m和c分别为A盘的质量和比热容，将此式代入（3）中，有 = mc （5）因为稳态时通过样品的传热速率等于A盘的散热速率，比较式（5）和（2），便得出导热系数的公式： （6）m、T和T都可以由实验测量出准确值，c为已知常数，且c=0.904J/(g)，因此，只要求出，就可求出导热系数。四、实验步骤（1）建立稳恒态连接好电源线，加热盘引线连实验仪上的“上盘”，下盘传感器引线一端旋接好铝盘，一端接实验仪上的“下盘”，打开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，

7、调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，选择设定C盘加热为所需的温度（如50.0）值。将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察C盘温度的变化，直至C盘温度稳定，此时，C盘可能达不到设定温度，可适当调节“设定温度细选”使C盘温度达到所需的温度（如50.0），这时给C盘设定的温度要高于所需的温度。再将测量选择开关拨向“下盘温度”档，观察A的温度变化，若每分钟的变化，则可认为达到稳恒态。记下此时的C和A的温度（即“上盘温度”）和（即“下盘温度”）。时间测量方法：按动“启动”钮一下，即开始计时；再按动“启动”钮一下即暂停计时；按动“复位”钮，即归零。 （2）测A盘在T时的自然冷却速率

8、在读取稳态时的和之后，拿走样品B，让A盘直接与加热盘C底部的下表面接触，加热铝盘A，使A盘温度上升到比T高6左右，这时关闭加热开关，移去加热盘C，让铝盘A通过外表面直接向环境散热（自然冷却），“测量选择”开关拨向“下盘温度”档，当温度为（即5）时，按下“启动”钮，记时0，以后每隔一分钟记下相应的温度值，直至温度为（即-5），由数据作出A的冷却曲线，求出A盘在附近的冷却速率。 （3）用物理天平称量A盘的质量m，用螺旋测微器测量A盘的厚度，以及待测板B的厚度，用游标卡尺测出A盘的直径2，以及待测板B的直径2。 （4）根据式（6）求出待测材料的导热系数。五、数据记录及处理 1、测量参量测量次数平均值12322 则： m m 2、记下达到稳恒态时，C和A的温度（即“上盘温度”）和（即“下盘温度”）/3、记下对应时间的温度值。t /minT /0(按实际情况添加行)(按实际情况添加行)4、作出A的冷却曲线，得出、，求出A在时的自然冷却速率/t/minT/t/min则:A在时的自然冷却速率 （）5、求出导热系数0.904J/(g)导热系数 （）6、误差分析六、思考题1、为什么加热盘C的温度总是达不到设定温度？2、实验中，铝盘起到了什么作用？3、该实验的误差来源主要有哪些？为尽量减小误差，实验中要注意些什么？