稳态法测固体导热系数.doc

天津城市建设学院大学物理实验中心 大学物理实验A 实验教学指导书 稳态法测固体导热系数【实验目的】1、了解热传导的物理过程和热电偶的工作原理；2、掌握稳态法的测量条件和稳态法测导热系数的原理；3、用稳态法测定出不良导热体的导热系数。【实验仪器】导热系数测定仪，如图1所示。图1 导热系数测定仪【实验原理】根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为、温度分别为 、 的平行平面（设），若平面面积均为，在时间内通过面积的热量满足下述表达式： （1）式中为热流量，即为该物质的热导率（又称作导热系数），在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是 。实验仪器如图1所示，在支架上先放上圆铜盘，在的上面放上待测样品（圆盘形的不良导体），再把带发热器的圆铜盘放在上，发热器通电后，热量从A盘传到盘，再传到P盘，由于、盘都是良导体，其温度即可以代表盘上、下表面的温度、 ， 、分别由插入、盘边缘小孔热电偶来测量。热电偶的冷端已设计了冰点温度补偿，不必再用杜瓦瓶及冰水混合物。由式(9-1)可知，单位时间内通过待测样品任一圆截面的热流量为： （2）式中为样品的半径，为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时，、和的值不变，于是通过盘上表面的热流量与由铜盘向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘在稳定温度 时的散热速率来求出热流量 。实验中，在读得稳定时的和后，即可将盘移去，而使盘的底面与铜盘直接接触。当盘的温度上升到高于稳定时的值若干摄氏度后，再将圆盘移开，让铜盘自然冷却。观察其温度随时间变化情况，然后由此求出铜盘在的冷却速率，而 (为紫铜盘的质量,为铜材的比热容),就是紫铜盘在温度为时的散热速率。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（其中分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传热时，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，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正： （3）将式(3)代入式(2)，得： （4）【实验内容与步骤】1、不良导体导热系数的测量(1) 实验时，先将待测样品盘放在散热盘上面，然后将发热盘放在样品盘上方，并用固定螺母固定在机架上，再调节三个螺旋头，使样品盘的上下两个表面与发热盘和散热盘紧密接触，一定要使样品盘、加热盘和散热盘对齐。(2) 将二个热电偶的热端涂上硅脂后分别插入加热盘和散热盘侧面的小孔中，并分别将热电偶接线连接到仪器面板的传感器、上。用专用导线将仪器机箱后部插座与加热组件圆铝板上的插座加以连接。(3) 接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度。将加热选择开关由“断”打向“”任意一档，此时指示灯亮，当打向“”档时，加温速度最快，当加热盘的温度达到所设温度时，可将开关打向“2”或“1”档，降低加热电压。(4) 大约40分钟后，加热盘和散热盘的温度不再上升，说明已达到稳态，每隔2分钟记录和值，填入表1。(5) 测量散热盘在稳态值附近的冷却速率（）。移开加热盘，取下橡胶盘，并使加热盘的底面与散热盘直接接触，当散热盘的温度上升到高于稳态的值若干度后，再将加热盘移开，让散热盘自然冷却。计算散热盘的冷却速率，填入表2。2、金属导热系数的测量（选作）(1) 将硬铝样品侧面绝热，样品的上下表面周围分别套一个绝热圆环，置于发热圆盘与散热圆盘之间，两根热电偶分别插入硬铝样品上下表面的小孔内，设定加热盘温度，采用自动控温对样品加热，待样品达到稳定导热状态，记下样品上下表面的温度和的值，然后将其中一个热电偶插入散热盘的小孔内，测出散热盘的温度。 (2) 移去样品，用加热盘直接对散热盘加热，待散热盘温度高出若干，移去加热盘，让散热盘在环境中自然冷却，测出散热盘的冷却速率。3、空气导热系数的测量（选作）通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为 ，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。 【注意事项】1、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。2、本实验装置呈装配式，实验中又需要不断变换，操作必须小心谨慎。抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒侧面的固定螺钉。样品取出后，小心将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，注意防止高温烫伤。在测定散热盘的冷却速率时，加热盘升起移开后必须牢牢地固定在机架上，防止实验过程中下滑造成事故。 3、测铜盘的冷却速率一定是在自然对流的条件下。 4、实验结束后，保管好待测样品，不要使样品两端面划伤，影响实验精度。【数据处理】1、记录稳态时样品盘上、下表面的温度 和。（每隔2分钟记录1次）表1样品盘上、下表面的温度 和 单位：次数温度12345平均值 2. 求散热盘在温度为时的冷却速率表2样品上下表面的温度和单位：3. 根据实验结果，计算橡胶的导热系数。【思考题】1、 测导热系数要满足哪些条件？温度和湿度的相对稳定。 2、测冷却速率时，为什么要在稳态温度T2（或T3）附近选值？如何计算冷却速率？散热板处于不同温度时,散热速率不同.实验中系统处于稳态时,通过待测样品的传热与散热盘向侧面和下面的散热率相同,所以测冷却速率时，为什么要在稳态温度T2（或T3）附近选值3、 讨论本实验的误差因素，并说明导热系数可能偏小的原因。样品表面老化,影响传热加热板,样品,散热板之间有空隙,影响传热热电偶热端与发热盘和散热盘接触不良【参考资料】1 教材：大学物理实验，杨广武主编，天津大学出版社2009年3月出版： P4651：实验9 导热系数的测量2 李恩普. 大学物理实验. 北京：国防工业出版社，2004.3 方利广. 大学物理实验. 上海：同济大学出版社，2006.4 李明. 大