不良导体导热系数的测定.doc

《不良导体导热系数的测定.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不良导体导热系数的测定.doc（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

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的测定.精品文档.物理设计性实验论文设计题目 不良导体导热系数的测定学生姓名学号预习成绩实验时间操作成绩专业班级实验台号实验成绩指导老师批阅时间 年 月 日物理实验教学中心不良导体导热系数的测定测控技术与仪器2009-2 摘要：导热系数是表征物质材料传导的重要物理量，对实验过程中数字毫伏表显示电动势测量值与相应的时间关系，利用Excel表格程序画出冷却曲线，对测量的数据进行处理，计算导热系数。关键词：导热系数；稳态法；散热速率；冷却速率；0.引言： 研究材料的导热性质，在科学研究和工程应用中是一个重要课题，凡联系到新型材料的开

2、发，设备及装置的热设计等方面都离不开它，对于不同材料的不同性质（非金属不良导体；金属良导体）可采用不同的测试研究方法。因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内形成一稳定的温度分布；然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法测定不良导体的导热系数。1.实验原理导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传播热量的过程。1882年法国数学、物理学家傅里叶给出了一个热传导的基本公式-傅里叶导热方程式。该方程式表明，在物体内部取两个垂直于热传导方向，彼此

3、相距为h，温度分别为T1，T2的平行面（设T1T2），若平面面积均为S，在t 秒内通过面积S的热量为Q，单位时间内传导的热量Q/t称为传热速率，与物体的横截面积S，两面的温度差（T1T2）成正比。即： （4-9-1）这就是著名的傅里叶热传导方程，方程中的为该物质的导热系数（又称热导率）它是表征物质热传导性能的一个重要物理量。它的数值大小随材料的不同而异。在数值上等于相距单位长度的两个平面的温度相差1个单位时，在单位时间内通过单位面积的热量。导热系数的SI单位：瓦特每米开尔文，即w/m、k。冰水混合物电源输入调零数字电压表FD-TX-FPZ-II导热系数电压表T2T1220V110V导热系数测定

4、仪测1测1测2测2表风扇ABC图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图本实验装置如图4-9-1所示，在支架D上先后放圆铜盘C、待测样品（圆盘形不良导体）B和厚底紫铜圆筒A，圆筒A发热体由电热板提供热源，A加热，使样品上、下表面分别和上、下铜盘接触各维持稳定的温度T1，T2，它们的数值分别用安插在A、C侧面深孔中的热电偶E来测置。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。G为双刀双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路。数字电压表F用以测量温差电动势。由式（4-9-2）可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为： （4-9-2）式中hB为圆盘样品的半径，RB为圆盘样品的半径，为样品热导

5、率，T1、T2分别为稳态时样品上下平面的温度。实验时，当传热达到稳态时，T1、T2的值将稳定不变，这时可以认为发热盘A通过圆盘样品B上平面传入的热量与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。因此可通过散热铜盘C在稳定温度T2时的散热率来求出热流量 。方法如下:当读得稳定时的T1、T2后，即可抽出样品B，让发热盘A的底面与散热盘C直接接触，加热铜盘A，使温度上升到比T2高出10OC以上，使盘C 的温度上升到比T2高出1mv左右时，再将发热盘A移开，让铜盘自然冷却。观测其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在T2的冷却速率 ，而（m为黄铜盘C的质量、C为铜的比热容）就是黄铜盘在温度为T2时的散热速

6、率。但须注意，这样求出的 是黄铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为2Rc2 +2Rchc（其中Rc 与hc 分别为黄铜盘C的半径与厚度）。然而，在观测样品稳态传热时，C盘的上表面（面积为Rc2）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应修正如下： （4-9-3）将式（4-9-3）代入式（4-9-2）得： （4-9-4）式中：m为下铜盘的质量；C为下铜盘的比热容。2.实验仪器导热系数测定仪、热电偶两副、数字式毫伏表、杜瓦瓶、天平、游标卡尺、标准样品、待测样品。FDTCII型导热系数测定仪，主要由热源、样品架、测温等三大部分组成。1.

7、热源：电热管、加热铜板。2. 样品架：样品支架、样品板。3. 测温部分：铜一康铜热电偶、杜瓦瓶、数字式毫伏表。3.实验内容1. 用物理天平称出散热盘（铜盘）C的质量m，单次测量，其比热容：C=3.8102J/kgC。2. 用游标卡尺分别测出样品盘（橡皮）B铜盘C的直径和厚度h各测六次，然后取平均值。3. 连线。如实验装置图4-9-1所示，发热盘A和散热盘C的侧面都有供安插热电偶的小孔，放置仪器时，此两孔都应与杜瓦瓶在同一侧。以免线路错乱。将橡皮样品B放入发热盘A与散热盘C之间，在杜瓦瓶中放入冰水混合物，热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测量端与铜盘接触良好。将一对热电偶的

8、热端（红线端）插入到发热盘A的小孔中，冷端插入杜瓦瓶中的细玻璃管中，与导热系数测量仪联接。另一对热电偶的热端插入到散热盘C的小孔中，冷端插入杜瓦瓶中的另一细玻璃管中，与导热系数测量仪联接。它们的输出端分别接在控制面板上的“测”、“测”插孔中，通过“测1”、“测2”转换开关接到数字电压表上。mv表输出端短路，调节数字电压表的调零旋钮，调零并与导热系数测量仪联接，量程选3-4mv。4. 根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压开关K拔至高档220V，开始加热约20min后，待 =4.5mv即可将开关再拔到低档110V。待下降至3.5mv左右时，通过手控

9、调节电热板开关K，K的电压220v或110v或0v档，使读数变化在0.03mv范围内。然后每隔2分钟读一次数字电压表上的相应温度示值，如在3min内样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳态状态。将切换开关K1分别拨向测1，测出T1温度，再拨向测2，测出T2温度。5. 测量黄铜盘C的散热率，此时，抽去样品B，使加热铜盘A与散热铜盘直接接触，再将加热开关拔至220V档加热，当下铜盘P的温度比T2高出10OC左右后，移去加热筒A，让下铜盘C在空气中自然冷却。然后每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近T2的测量数据来求出冷却速率 ，铜的比热常数。将以上各测量值代入公式（4-9

10、-4）中；即可求出待测样品的导热系数。6. 本实验选用铜一康铜热电偶测温度，温差1000C时，其温差电动势约4.2mv，故应配用量程05mv，并读到0.01mv的数字电压表。由于热电偶冷端温度为0oC ，对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不太大时，其温差电动势（mv）与待测温度（oC ）的比值是一个常数。由此，在用式（4-9-4）计算时，可直接以电动势值代表温度值。测量黄铜盘在稳态值E2 附近的散热率时，每隔30S记录温度值。 4.数据记录：表1：样品盘散热参数Mcu/gCJ/kg.khB/mmhc/mmDB/mmDc/mm913.63807.807.8012.96512.965表2：散热

11、平衡时温度E1/mv3.45E2/mv2.66表3：散热曲线数据记录表格时间t/s0306090120150180210240270300330360390420温度/mv 3.062.982.922.862.812.762.712.672.622.572.532.482.452.402.365. 数据处理：1. 将测量值填入自拟表格中。2. 计算和相对误差。由散热曲线可得，当E1=3.45mv,E2=2.66mv时达到散热平衡。当t=150s时，T=2.76oC，t=270s时，T=2.57oC。相对误差公式：实验中电压读数误差为 ，游标卡尺的测量误差为0.02mm。6. 实验结果分析7.

12、注意事项1. 手动控制稳态时，要使温度稳定约1个小时左右；为缩短时间，可先将热板电源电压拔至高档220V，几分钟后，T1=4.00mv,即可将开关拨置低档110V，待T1下降至3.5mv左右时，通过手动调节电热板电压高档220V与低档110V，使T1读数在0.03mv 范围内、及断电档，使T1读数控制在0.03mv 范围内，同时每隔2分钟记下样品上、下圆盘A和P的温度T1和T2的数值，待T2的数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记下此时的T1和T2值（可直接以电动势值代表温度值）2. 为使系统周围环境保持不变，风扇一直开着。3. 在测试P的散热速率，取走试样B之前，一定要先关掉电源，然

13、后再让圆筒与圆盘P接触，同时绝不能用手去碰触圆筒和圆盘。小心操作！否则会出事故，带来严重烫伤后果。4. 在接通电源加热过程中，电压拨到220V上，加热时间不要超过20分钟，不然会损坏仪器。5. 实验结束后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以至影响实验的精度。8.小结： 本项研究利用了稳态法对固体导热系数进行定性测量和定量的测量，经过对实验测量结果的对比和实验装置结果的研究发现，定性测量与定量测量得到的导热系数略有差异。其主要原因是：首先，采用定性测量时，传感器与导热盘间存在一定的距离，导致测量结果存在一定的差异。其次，由于传感器存在一定的响应时间滞后的现象，对测量结果产生一定的影

14、响。再次，由升温过程和降温过程得到的感应电动势E与时间t之间的函数关系曲线图也存在一定的差异。参考文献：1.王惠隶.物理实验M.天津：天津大学出版社，1997.2.赵家凤. 大学物理实验M.北京：科学出版社，2000.3.张存怒.大学物理实验M.成都：四川大学出版社，1998.4.贾玉润.大学物理实验.M.上海：复旦大学出版社，1987.5.何圣静.物理实验手册M.北京：机械工业出版社，1989.Poor conductor coefficient of thermal conductivity is determinedMeasurement Measuring and controllin

15、g engineer 2009-2 Abstract: the coefficient of thermal conductivity is characterized the important material conduction of physical experimental process digital millivolt table shows the electromotive force measurement values and the corresponding time relationship, using Excel spreadsheet draw cooling curve, on the measurement data processing, calculating coefficient of thermal conductivity.Keywords: Coefficient of thermal conductivity; Steady state law; Heat dissipation rate; Cooling rate;