导热系数的测定.doc

注意：座位号为单号的预习讲义一，座位号为双号的预习讲义二讲义一：导热系数的测定【实验目的】1、 感知热传导现象的物理过程；2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数；3、学习利用物体的散热速率测量传热速率。【实验仪器及装置】FD-TC-B型导热系数测定仪、游标卡尺及电子天平等【实验原理】图（一）1、傅立叶热传导方程傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的基本规律。该方程式指出：在物体内部，垂直于热传导方向彼此相距，温度分别是的两个平行平面之间，当平面的面积为S时，在时间内通过面积S的热量满足关系： （1）其为单位时间传过的热量（又称热流量），与为导热系数（又称热导率）、传热面积、距离以及温差有关。而的物理意义为：相距单位长度的两个平面间的温度相差一个单位时，每秒通过单位面积的热量，单位为。不良导体的导热系数一般很小，例如，矿渣棉为0.058，石棉板为0.12，松木为0.150.35，混凝土板为0.87，红砖为0.19，橡胶为0.22等。良导体的导热系数通常比较大，约为不良导体的倍，如铜为4.0。以上各量单位是。C.加热铜盘B.待测样品P.散热铜盘图（二）2、稳态温度和热流量的测量（1）稳态温度测量如图（二）所示，当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热速率相等。因此可以通过散热盘P在稳态温度时的散热速率来求出通过样品传递的热流量。（2）热流量的测量当测得稳态时的样品上下表面温度和后，将样品B抽去，让加热盘C与散热盘P接触，使散热盘的温度上升高到其稳态时的5以上，再移开加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t的下降情况，便可求出散热盘在其稳态处的冷却速率，则散热盘P在时的散热速率为： （2）其中m为散热盘P的质量，c为其比热容。在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积的修正： （3）其中为散热盘P的半径，为其厚度。 由（1）式和（3）式可得： （4） （5）【实验内容】1、测量散热盘的质量m、半径、厚度，样品盘的直径、厚度。2、组装仪器测量温度数据（1）松开固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘和散热盘之间，橡皮样品盘要求与加热盘、散热盘完全对准；调节底部的三个微调螺丝，使加热盘、样品盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；（2）将2根温度传感器的连接线一端与机壳连接，另一端插入加热盘和散热盘小孔，要求传感器探头完全插入小孔中，以确保温度传感器与加热盘和散热盘接触良好。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换）（3）开启导热系数测定仪电源，左边表头首先显示FDHC,然后显示当前温度，当转换至b=.=,按实验仪上升温键左边表显示由b00.0可上升到b80.0摄氏度。一般设定7580较为适宜。设置完成后按“确定”键，加热指示灯闪亮，加热盘即开始加热。此时左边显示加热盘温度，右边显示散热盘的温度。（4）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，并每隔3分钟记录一次。若连续10分钟或更长的时间内散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。记录加热盘稳态温度和散热盘稳态温度。（5）按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好。再设定温度到80，直接给散热盘加热，使散热盘温度上升到高于稳态时的温度值5左右。移去加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，并每隔20秒记录一次散热盘的温度示值，直至低于其稳态温度以下的5组数据为止。作出冷却曲线，由邻近值的温度数据计算冷却速率。（7）根据测量得到的稳态时的温度值和，以及在温度时的冷却速率，由公式（5），计算不良导体样品的导热系数。【数据记录与处理】表一 散热盘P：质量m= (Kg) ；（散热盘比热容（紫铜）：）次数123456直径厚度半径 (cm) ；厚 (cm)表二 橡皮盘B：次数123456直径厚度直径 (cm)； 厚 (cm)表三 测量稳态温度（加热盘温度设定 ）时间（min）036912151821温度()稳态时散热盘温度值 表四 散热盘自然冷却时温度记录 时间（s）020406080100120140160温度()时间（s）180200220240260280300320340温度()散热盘冷却速率 = /s（保留三位有效数字）要求写出计算过程，并在坐标纸上画出散热盘冷却曲线！修正系数= 导热系数 = = （三位有效数字）要求代入数据写出计算过程，并计算出最终结果！【思考题】1、 用稳态法是否可以测量良导体的导热系数?如可以，对实验样品有什么要求?实验方法与测不良导体有什么区别？2、 散热盘下方的轴流式风扇器什么作用？如果它不工作时，实验能否进行？3、 本实验中产生系统误差的主要原因来那些方面？可以采取哪些措施使之减小或消除？【注意事项】1、为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该将两个传感器探头插入到小孔底部；另外，加热橡皮样品的时候，为了达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘紧密接触，注意不要中间有空隙；也不要将螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。2、导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要打开。讲义二：导热系数的测定【实验目的】1、 感知热传导现象的物理过程；2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数；3、学习利用物体的散热速率测量传热速率；4、学习用温差电偶测量温度的原理和方法。【实验仪器和用具】导热系数测定仪（FDTCII）、橡皮圆盘（待测样品）、温差电偶（2对）、保温杯、数字式电压表（FPZII）、连接线、电子秒表、游标卡尺、电子天平、冰块。【实验原理】图（一）1、傅立叶热传导方程傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的基本规律。该方程式指出：在物体内部，垂直于热传导方向彼此相距，温度分别是的两个平行平面之间，当平面的面积为S时，在时间内通过面积S的热量满足关系： （1）其为单位时间传过的热量（又称热流量），与为导热系数（又称热导率）、传热面积、距离以及温差有关。而的物理意义为：相距单位长度的两个平面间的温度相差一个单位时，每秒通过单位面积的热量，单位为。C.加热铜盘B.待测样品P.散热铜盘图（二）不良导体的导热系数一般很小，例如，矿渣棉为0.058，石棉板为0.12，松木为0.150.35，混凝土板为0.87，红砖为0.19，橡胶为0.22等。良导体的导热系数通常比较大，约为不良导体的倍，如铜为4.0。以上各量单位是。2、稳态温度和热流量的测量（1）稳态温度测量如图（二）所示，当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热速率相等。因此可以通过散热盘P在稳态温度时的散热速率来求出通过样品传递的热流量。（2）热流量的测量当测得稳态时的样品上下表面温度和后，将样品B抽去，让加热盘C与散热盘P接触，使散热盘的温度上升高到其稳态时的5以上，再移开加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t的下降情况，便可求出散热盘在其稳态处的冷却速率，则散热盘P在时的散热速率为： （2）其中m为散热盘P的质量，c为其比热容。在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积的修正： （3）其中为散热盘P的半径，为其厚度。 由（1）式和（3）式可得： （4）铜康铜图（三）铜康铜+- （5）3、用温差电偶将温度测量转化为电压测量如图（三）所示，把两种不同的金属丝彼此熔接，组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度和下，则会产生温差电动势，回路中有电流。如果将回路断开（不在接点处），虽无电流，但在断开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温差电动势与两接点间的温度差成正比，即：为冷端温度，为热端温度，叫温差电系数。在本实验中，使用两对相同的铜康铜热电偶，相同，它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻璃管中， 也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时，可得样品上下表面的温度分别为：，所以或，这样，式（5）可以写为 （6）（6）式就是本实验所依据的公式。和分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势（由数字电压表读出），为散热盘在时的冷却速率。【实验内容】1、测量散热盘的质量m、半径、厚度，样品盘的直径、厚度。2、组装仪器、如图四所示，将待测的橡皮样品放在加热盘和散热盘之间，固定大立柱上的螺丝，调节支撑散热盘的三个微调螺丝，使加热盘、样品、散热盘三者接触良好并正对。线测1测2测1测2表220V110V导热系数测定仪测1测2冰水混合物ABC数字电压表调零温差电偶图四、将两对热电偶的冷端分别插入装有冰水混合物的保温杯内的两个细玻璃管中（插到底），两个热端分别插入加热盘和散热盘侧面的小孔内（插到底），再将两对电热偶输出端的红、黑插头分别插到测定仪底座上“测”和“测2”两个相应的插孔内。、将线的红、黑插头插入位于“测”与“测2”之间的两个插孔内，另一端连入数字电压表。、将测定仪的切换开关置于中间位置，加热开关关闭，插上测定仪及数字电压表的电源插头。3、将系统加热至稳态、打开数字电压表的开关，调节调零旋钮，使电压表示数为“0.00mV”。、将测定仪的加热开关拨至220V档，给加热盘加热。切换开关拨至“测”端，电压表上显示的值。加热12分钟后打开风扇。风扇一经打开后就不要关闭，直至实验结束。约几分钟后，升高到3.80mV左右时，将加热开关下拨至110V档继续加热。开始测量、的稳态值。此时，用电子秒表计时，每隔3分钟记录一次、的值，从不间断。如果发现连续10分钟内（即连续三次实验数据）、基本不变，则可以认为系统已经达到稳态，在这些实验数据中标定出一组合适的值作为稳态温度、。4、测量散热盘冷却过程中温差电动势随时间的变化，并计算其冷却速率。、关掉加热开关，抽走样品，将两盘直接接触并正对。再用220V档直接给散热盘加热，切换开关拨至“测”，电压表上显示的值。当升至高于其稳态值0.5mV左右时关闭加热开关停止加热，上移且侧移加热筒，让散热盘在风扇吹拂下自然冷却。与此同时，开始每隔20秒记录一次的值，直至低于其稳态温度以下的5组数据为止。、用邻域法计算散热盘的冷却速率。例如假定的稳态值是1.91mV，测得第180s时，第200s时，第220s时，则领域可取1.95mV1.87mV之间，冷却速率。5、按（6）式计算待测样品的导热系数。【数据记录与处理】表一 散热盘P：质量m= (Kg) ；散热盘比热容（紫铜）：次数123456直径厚度半径 (cm) ；厚 (cm)表二 橡皮盘B：次数123456直径厚度直径 (cm)； 厚 (cm)表三 稳态时的值时间（min）036912151821稳态时的温度值= mV，= mV表四 散热盘自然冷却时温度记录时间（s）020406080100120140160电动势(mV)时间（s）180200220240260280300320340电动势(mV)散热速率= = mV/s（保留三位有效数字）要求写出计算过程，并画出散热盘冷却曲线！修正系数= 导热系数 = = （保留三位有效数字）要求代入数据写出计算过程，并计算出最终结果！【误差分析和思考题】1、本实验是如何采用参考量转换法来绕过不易测量的量的？2、采用温差电偶测量温度的原理是什么？3、具体分析本实验产生误差的原因可能有哪些。【实验注意事项】1、本实验的难点是使样品达到热稳态，这是一个较长的过程，需要40分钟以上，实验时务必耐心。2、开风扇可以强迫