固体导热系数实验预习.doc

固体导热系数实验预习固体热导率的测量预习参考【实验目的】1用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较；2初步学习用热电偶进行温度测量。【实验原理】测量热导率的方法比较多，可以归并为两类基本方法：一类是稳态法；另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量；而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1和T2（设T1 T2 ）的平行平面，若平面面积均为S，则在t时间内通过面积S的热量Q满足下述表达式： （13-1）式中即为该物质的热导率，也称导热系数。由此可知，热导率是一个表示物质热传导性能的物理量，其数值等于两相距单位长度的平行平面上、当温度相差一个单位时、在单位时间内垂直通过单位面积所流过的热量，其单位为W/mK。材料的结构变化与杂质多寡对热导率都有明显的影响；同时，热导率一般随温度而变化，所以，实验时对材料成份、温度等都要一并记录。我们这里使用的TC-3型热导率测定仪，就是采用稳态法测量不良导体、金属、空气等多种材料热导率的一体化实验仪器，由五大部分组成（具体结构如图13-1所示）： （1）加热源：电热管加热铜板； （2）测试样品支架：支架、样品板，散热铜板、风扇； （3）测温部分：热电偶，数字式毫伏表，杜瓦瓶； （4）数字计时装置：计时范围166分钟，分辨率0.1秒；（5）PID自动温度控制装置：控制精度，分辨率。在支架上先放上圆铜盘B，在B的上面放上待测样品C（圆盘形的不良导体），再把带发热器的圆铜盘A放在C上。发热器通电后，热量从A盘传到C盘，再传到B盘，由于A、B盘都是良导体，其温度即可以代表C盘上、下表面的温度T1和T2，T1 、T2分别由插入A、B盘边缘小孔的热电偶I来测量，热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶G中的冰水混合物中，通过传感器切换开关KI切换A、B盘中的热电偶II、III与数字电压表F的连接回路。由式（13-1）可以知道，单位时间内通过待测样品C任一圆截面的热流量为 （13-2）式中Rc为样品的半径，hc为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变， 于是通过样品盘C上表面的热流量与由散热铜盘B向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘B在稳定温度T2 时的散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的T1、T2后，即可将C盘移去，而使盘A的底面与铜盘B直接接触。当盘B的温度上升到高于稳定时的值T2若干摄氏度或（0.2mV）后，再将圆盘A移开，让铜盘B自然冷却。观察其温度T2随时间t变化情况，然后由此求出铜盘B在T2 的冷却速率，而(mB为紫铜盘B的质量，c为铜材的比热容)，就是紫铜盘B在温度为T2 时的散热速率。但要注意：这样求出的是紫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（其中RB与hB分别为紫铜盘B的半径与厚度）。然而，在观察测试样品C的稳态传热时，B盘的上表面（面积为）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B散热速率的表达式应作如下修正： （13-3） 将式（13-3）代入式（13-2），得 （13-4） 【实验仪器】TC-3型热导率测定仪，橡胶样品, TW-1型物理天平，游标卡尺,冰水，硅油。使用注意：（1）使用前将加热铜板A与散热铜板B擦干净，样品两端面擦干净后，可涂上少量硅油，以保证接触良好。（2）实验过程中，如需触及电热板，应先关闭电源，以免烫伤。（3）实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验的正确性。【实验内容】在测量热导率前应先对散热盘B和待测样品盘C的直径、厚度进行测量。1、用游标卡尺测量待测样品盘C直径和厚度，各测1次。2、用游标卡尺测量散热盘B的直径和厚度，各测1次，计算B盘的质量，也可直接用天平称出B盘的质量。一、不良导体热导率的测量1把橡胶盘C放入加热盘A和散热盘B之间，用三个螺旋头E夹紧（拧去固定轴H不用）。2在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入加热盘A和散热盘B侧面的小孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座II和III上，如图13-2所示。注意：（1）园筒发热体盘A侧面和散热盘B的侧面，都有供安插热电偶I的小孔，安放发热盘A时此两小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，要抹上一些硅油，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。（2）本实验选用铜-康铜热电偶，温差100时，温差电动势约4.2mV。3测量稳态时温度T1和T2的数值。接通电源，打开电扇开关KB（使散热盘有效、稳定地散热），将“温度控制PID”仪表上设置加温的上限温度（），加热器开关KA打到高热（）档，当传感器II的温度T1约为4mV左右时，再将加热开关KA置于“”或“”档，降低加热电压。使加热盘A和散热盘B逐步达到稳定的温度分布（约需40分钟时间）。当达到稳态时，每隔3分钟记录VT1和VT2的值。注意：当达到稳态时，VT1和VT2的数值在10分钟内的变化小于0.03毫伏，或VT2的数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，约需40分钟时间。说明：对一般热电偶来说，温度变化范围不太大时，其温差电动势mV值与待测温度值的比是一个常数，因此，在用公式（13-4）计算热导率时，可以直接用温差电动势值取代温度值。4测量散热盘B在温度稳态值T2附近的散热速率。移开圆盘A，取下橡胶盘C，并使圆盘A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到高于稳定态的值T2若干度（0.2mV左右）后，关掉加热器开关KA（电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时橡胶盘C不再放上），让铜盘B自然冷却，记录T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度稳态值T2在其测量范围以内）。5关掉电扇开关KB和电源开关KF。二、金属热导率的测量（选做） 1、将圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发热圆盘与散热圆盘之间。2、在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入分别插入金属圆柱体上的上下两孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座II和III上。3、当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，T1、T2值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘B的温度为T2值。因此测量B盘的冷却速度为：由此得到热导率为 4、测量散热盘B在温度稳态值T2附近的散热速率。移开圆盘A，取下金属圆柱体C，并使圆盘A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到高于金属圆柱体上的下表面的稳定态值T2若干度（0.2mV左右）后，关掉加热器开关KA（电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时金属圆柱体C不再放上），让铜盘B自然冷却，记录T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度稳态值T2在其测量范围以内）。 三、空气热导率的测量（选做）当测量空气的热导率时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为h，并用塞尺进行测量（即塞尺的厚度），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。 【数据处理】1基本数据铜的比热容c = 385.06J/（KgK）室温t = ,(1)散热盘B 直径2RB = mm， 半径RB = mm，厚度 hB = mm， 质量mB= g (2)橡胶盘C 直径2RC = mm， 半径RC = mm， 厚度 hC= mm2实验数据（1）稳态时T1、T2的数据（每隔3分钟记录）i12345平均T1（mV）T2（mV）（2）散热速率 t（s）0306090120150180(mV/s)T2（mV）3根据实验结果，计算出不良导热体的热导率。硅橡胶的热导率由于材料的特性不同，范围为0.072W/（mK）0.165W/（mK），本实验给出的硅橡胶热导率在285K (12)左右时为=0.165W/（mK），铝合金热导率的理论参考值为130150 W/（mK）求出百分差。附录 铜康铜热电偶分度表温度()热电势（mV）012345678900.0000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.27