稳态法测量固体导热系数幻灯片.ppt

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1、稳态法测量固体导热系数第1页，共20页，编辑于2022年，星期一一、背景一、背景 热量的传递一般分为三种：热传导、热对流、以及热辐射。其热量的传递一般分为三种：热传导、热对流、以及热辐射。其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。温度梯

2、度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。不同物不同物体的导热性能各不相同，导热性能较好的物体称为良热导体，导热体的导热性能各不相同，导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物体称为不良热导体。性能较差的物体称为不良热导体。第2页，共20页，编辑于2022年，星期一定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，一般说来，定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。的要大；气体的导热系数最小。导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房导热系数是描述材

3、料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。在科学实验和工以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。在科学实验和工程设计中，程设计中，第3页，共20页，编辑于2022年，星期一 所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。其测量方法所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。其测量方法大致上有大致上有稳态法和非稳态法稳态法和

4、非稳态法两类。两类。稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在测量过程定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比的影响，还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。第4页，共20页，编辑于2022年，星期一二、实验目的二、实验目的 1了解热传导

5、现象的物理过程。了解热传导现象的物理过程。2了解物体散热速率和传热速率的关系。了解物体散热速率和传热速率的关系。3学会用铂电阻型传感器测定温度。学会用铂电阻型传感器测定温度。4学习一种测量材料导热系数的实验方法。学习一种测量材料导热系数的实验方法。第5页，共20页，编辑于2022年，星期一三、实验原理三、实验原理图一图一 导热系数实验装置示意图导热系数实验装置示意图当如图一所示的系统达到热平衡时，通过待测样品的传热速当如图一所示的系统达到热平衡时，通过待测样品的传热速率和散热铜盘向侧面和下面的散热速率相同，即有率和散热铜盘向侧面和下面的散热速率相同，即有第6页，共20页，编辑于2022年，星期

6、一（1（1）式（式（1）中）中10、20是传热稳定时的样品上下表面温度，是传热稳定时的样品上下表面温度，是样品的传是样品的传热速率，热速率，是铜盘散热率是铜盘散热率。根据傅立叶的热传导定律，（根据傅立叶的热传导定律，（1）式左边可以写为：）式左边可以写为：（2）第7页，共20页，编辑于2022年，星期一而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（1）式右边可以写）式右边可以写为：为：（3）式式(3)中中M M 是散热紫铜盘的质量，是散热紫铜盘的质量，C C 是其比热。是其比热。这样，只要测出散热铜盘的冷却速率这样，只要测出散热铜盘的冷却速率 ，就，就可以联立

7、（可以联立（1）、（）、（2）及（）及（3）式而得出导热系数）式而得出导热系数，但是，当散，但是，当散热铜热铜盘盘处在稳定系统中时，其冷却速率不方便测处在稳定系统中时，其冷却速率不方便测第8页，共20页，编辑于2022年，星期一量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应的冷却速率我们量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应的冷却速率我们不妨记为不妨记为 ，根据散热速率也即冷却速率与表面积成正比，根据散热速率也即冷却速率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系式成立：的规律，可以有如下的关系式成立：于是我们可以进一步得出导热系数于是我们可以进一步得出导热系数的表示式为：的表示式为：第9页

8、，共20页，编辑于2022年，星期一（4）四、实验仪器四、实验仪器1TC-3B型型测试仪和测试架测试仪和测试架2待测样品待测样品（环氧圆盘、硅橡胶盘）（环氧圆盘、硅橡胶盘）3游标卡尺游标卡尺4手套手套第10页，共20页，编辑于2022年，星期一五、实验过程五、实验过程1、测量样品盘及散热铜盘的几何尺寸和其它有关参数；、测量样品盘及散热铜盘的几何尺寸和其它有关参数；2、安装仪器，置放温度传感器，设置温度参数；、安装仪器，置放温度传感器，设置温度参数；3、打开加热开关加热，每、打开加热开关加热，每2分钟记录一次散热铜盘的温度，等待稳分钟记录一次散热铜盘的温度，等待稳定状态到来；定状态到来；4、达到

9、稳态时，记录样品上下表面的温度（、达到稳态时，记录样品上下表面的温度（10和和20）；）；5、去掉样品后，让散热铜盘在稳定温度、去掉样品后，让散热铜盘在稳定温度 20的基础上升温若干度，然的基础上升温若干度，然后让其在空气中自然冷却，记录其温度随时间降低的数据（每后让其在空气中自然冷却，记录其温度随时间降低的数据（每30秒记录秒记录一次），记到一次），记到20 以下至少有五个数据。以下至少有五个数据。第11页，共20页，编辑于2022年，星期一六、数据处理六、数据处理1将测量数据填入数据表格。将测量数据填入数据表格。2 利用散热盘温度随时间变化的数据作散热曲线，并选择利用散热盘温度随时间变化的

10、数据作散热曲线，并选择20附近附近10组数据，组数据，用逐差法计算散热盘散热速率用逐差法计算散热盘散热速率，进而计算待，进而计算待测样品导热系数测样品导热系数。3计算不确定度计算不确定度U，并给出结果表述。，并给出结果表述。说明：因本实验主要误差来源于散热速率的测量，所以计算不确说明：因本实验主要误差来源于散热速率的测量，所以计算不确定度时，只考虑这一项即可。定度时，只考虑这一项即可。第12页，共20页，编辑于2022年，星期一七、注意事项七、注意事项1实验操作过程中，要注意防止高温烫伤；实验操作过程中，要注意防止高温烫伤；2测温传感器插入小孔时抹些硅油，并插到孔洞底部，使测温传感器插入小孔时

11、抹些硅油，并插到孔洞底部，使之保证良好接触；之保证良好接触；3实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致，要进实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致，要进行修正；行修正；4用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约要半用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约要半个小时左右。待个小时左右。待2的数值在数分钟内不变时，即可认为已达到稳的数值在数分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。（由于控温精度有限，定状态。（由于控温精度有限，1、2 的读数可能会出现波动的读数可能会出现波动）5 测量稳态温度和散热速率过程中，要注意保持一样的环测量稳态温度和散热速率过程中，要注意保持一样的环境条件。境条件。

12、6.实验之后，整理好仪器设备，做好清洁卫生。实验之后，整理好仪器设备，做好清洁卫生。第13页，共20页，编辑于2022年，星期一散热盘冷却曲线散热盘冷却曲线 物体的散热（或冷却）物体的散热（或冷却）遵守牛顿冷却定律，冷却遵守牛顿冷却定律，冷却的快慢用冷却速率来表示，的快慢用冷却速率来表示，冷却的快慢与物体及环境冷却的快慢与物体及环境间的温差、物体的散热面间的温差、物体的散热面积、冷却介质、传热方式积、冷却介质、传热方式（热传导、热对流以及热（热传导、热对流以及热辐射）等因素有关，冷却辐射）等因素有关，冷却曲线在温度范围不太大时，曲线在温度范围不太大时，局部可以用局部可以用线性关系近似线性关系近

13、似。附录附录 物体的冷却速率物体的冷却速率第14页，共20页，编辑于2022年，星期一附录附录 铂金属热电阻测温原理电路图铂金属热电阻测温原理电路图 Rt为铂热电阻为铂热电阻Va接稳压电源接稳压电源Vo接直流电表接直流电表左侧为电桥电路左侧为电桥电路右侧为差分电路右侧为差分电路Rt=Ro(1+t)第15页，共20页，编辑于2022年，星期一附录附录 逐差法处理数据及不确定度估算逐差法处理数据及不确定度估算第16页，共20页，编辑于2022年，星期一原子能原子能沸水反应堆沸水反应堆发电原理图发电原理图第17页，共20页，编辑于2022年，星期一原子能原子能压水反应堆压水反应堆发电原理图发电原理图第18页，共20页，编辑于2022年，星期一第19页，共20页，编辑于2022年，星期一第20页，共20页，编辑于2022年，星期一