良导体导热系数的测定

1、本科学生毕业论文（设计）题 目 良导体导热系数的测定 学 院 物理与电子信息学院 专 业 2012 物理学 学生姓名 王雪佳 学 号 120801035 指导教师 金伟 职称 副教授 论文字数 5470 完成日期 2016 年 4 月 1 日论文题目 良导体导热系数的测定 学生姓名、学院：王雪佳、物理与电子信息学院中文摘要 随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。介绍了一种测量良导体导热系数的方法，该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方

2、便。 关键词： 稳态法；导热系数；散热速率；良导体 英文题目 Determination of the thermal conductivity of good conductor 学生姓名、学院： Wang Xuejia The College of Physical and Electronic Information英文摘要 As the coefficient of thermal conductivity USES more and more widely in engineering technology, the coefficient of thermal conductivi

3、ty of objects usually need to be determined through experimental tests, this experiment is to use the steady-state plate method for determining the coefficient of thermal conductivity of the object. Introduces a kind of good conductor coefficient of thermal conductivity measurement, the method overc

4、ome the deficiency of the thermocouple temperature measurement method, using digital temperature sensor temperature test measured temperature control technology, reduce experiment error, and the experimental operation becomes more intuitive and convenient. 英文关键词 Steady-state method;Thermal Conductiv

5、ity;Cooling rate;Good conductor 安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见指导教师评语主要内容包括：学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。成绩： 签名： 年月日安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见专业负责人系主任评定意见成绩：（优、良、中、及格、不及格） 专业负责人（系主任）签名：年月日学院意见成绩：（优、良、中、及格、不及格） 院长签章：年月日目 录引言- 31实验装置和实验原理- 31.1 实验装置- 31.2 实验原理- 42 实验内容-

6、 53.数据记录及处理- 64.测量误差的主要来源及测量结果的影响要素-75 注意事项-136结论-参考文献-1311良导体导热系数的测定 王雪佳，物理与电子信息学院摘 要：随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。介绍了一种测量良导体导热系数的方法，该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方便。关键词：稳态法；导热系数；散热速率；良导体Determination of the thermal conductivity of good con

7、ductorWang Xuejia, School of Physics and Electronic InformationAbstract：As the coefficient of thermal conductivity USES more and more widely in engineering technology, the coefficient of thermal conductivity of objects usually need to be determined through experimental tests, this experiment is to u

8、se the steady-state plate method for determining the coefficient of thermal conductivity of the object. Introduces a kind of good conductor coefficient of thermal conductivity measurement, the method overcome the deficiency of the thermocouple temperature measurement method, using digital temperatur

9、e sensor temperature test measured temperature control technology, reduce experiment error, and the experimental operation becomes more intuitive and convenient.Key words: Steady-state method; Thermal Conductivity; Cooling rate; Good conductor引言导热系数是材料的热物性参数之一，也是固体最重要的热物性参数。对于材料的使用在理论研究和工程设计、应用方面具有重

10、要意义。而导热系数都需要用实验的方法精确测定。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的要大；气体的导热系数最小。因此，某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。测量导热系数的方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法。测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法是使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的方法。而非稳态法在测量过程中样品内部的温度分布随时间是

11、变化的，测出这种变化，再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数。本实验采用TC-B3型稳态法测量物体的导热系数，该方法设计思路清晰、方便，具有典型性和实用性。1 实验装置和实验原理1.1实验装置本实验装置包含热端温控传感器、温度传感器、保温材料、加热器、散热器、底座。加热器、待测材料和散热器通过紧固件与底座连成一体。实验仪含数字测温表、温度控制器和相应的开关和选择键。待测样品导热系数的实验装置如图所示。待测样品上表面与加热盘(上面的黄铜盘)的下表面接触，加热盘由内部电热丝供热，用智能温度调节器来控制加热(给加热温度设定一上限)，加热盘将热量通过样品上表面传入样品，样品下表面与散热盘(下面的黄铜

12、盘)的上表面相接，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。加热盘和散热盘的温度分别由两个测温传感器测出。11.2实验原理当物体内部有温度梯度存在时，其热量将从高温处传递到低温处。在dt时内通过dS面积的热量dQ正比于物体内的温度梯度，即有 式中，dQ/dt为传热速率，dT/dx-是与面积dS相垂直的力一向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区域传向低温区域从是导热系数，表示物体导热能力的大小。根据傅里叶导热方程式，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、T2的平行平面（设T1T2），若平面面积均为S，在t通过面积S的热量Q述表达式： 式中,为热流量;即为该物质的导热系

13、数，在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是。2 首先在支架上先放上圆铜盘P，在铜板P的上面放上待测样品B，再把带发热器的圆铜盘A放在B上，加热盘通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，由于A、P都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别插入A、P盘边缘小孔的铂温度传感器E来测量。通过调换温度传感器插入位置，即可改变铂电阻温度传感器的测量对象。由式上式可以知道，单位时间内通过待测样品B任一截面的热流量为 式中，RB为样品的半径，hB为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值将保持不变，也就是说通过B

14、盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P在稳定温度T2的散热速率来求出热流量 。实验中，在读得稳定状态的T1和T2后，即可将样品B移去，而使发热盘A与铜盘P直接接触加热。当铜盘P的温度上升到高于稳定时的T2值若干摄氏度后，在将A移开，让P自然冷却。观察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在T3的冷却速率 ,则就是铜盘P在温度为T3时的散热速率。3要注意，这样求出的 是铜盘P在表面完全暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为 。然而，在观察测量样品的稳态传热时，P盘的上表面是被样品覆盖着的，并未向外界散热，所以当样品盘B达到稳定状态时，散热面积仅为： 。考虑到物

15、体的冷却速率与它的表面积成正比，在稳态是铜盘散热速率的表达式应作如下修正： 将上式代入，得 42.实验内容1.测量P盘和待测样品的直径、厚度，测P盘的质量。要求：（1）用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。（2）用游标卡尺测量P盘的直径和厚度，测5次，按平均值计算P盘的质量。也可以用电子秤称出P盘的质量。2.良导体导热系数的测量（1）连接导线：实验时，在仪器机箱的后部根据指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三根专用导线与测试支架上的三个插座连接，两个铂电阻测温传感器导线接到测试支架的切换开关上的插座中，通过切换开关后与仪器机箱前面板上左侧的“测温传感器”插座相联。 （2

16、）安装待测样品：在支架上先放上散热圆铜盘P，再在P的上面放上待测样品，然后再把带发热器的铜盘A放在盘P上，再调节三个螺栓，将圆柱体金属铝棒置于发热圆盘与散热圆盘之间，使铝圆柱样品的上下两个表面与发热盘A和散热铜盘P密切接触。将两个铂电阻测温传感器分别插入发热铜盘A（上盘）和散热铜盘P（下盘）上的小孔中。 （3）设置加温上限温度：接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度如100。 （4）测量稳态温度：打开加热开关，每隔2分钟记铝圆柱样品上下端的温度，当发上小孔、下小孔铂电阻传感器温度不再上升时（大约需要加热40分钟左右），说明系统己达到稳态，这时每隔 5 分钟测量并记录T1和T2的值。

17、（5）散热速率的测量：在读得稳态时的T1、T2后，即可将铝圆柱样品移去，将插在铝圆柱体“上小孔”或“下小孔”中的温度传感器取出，改插入散热盘P小孔中进行测量。而使发热盘 A 的底面与散热铜盘P直接接触。当P盘的温度上升到高于稳态时的T2值若干摄氏度（例如5左右）后，再将发热盘 A 移开，让散热铜盘P自然冷却。测量散热盘的温度T3随时间 t 的变化关系，每隔30秒记录一次温度T3，直至温度到T2之下若干摄氏度为止。根据测量值可以计算出P盘散热速率。此时散热盘P 的温度为T3值。因此，测量P盘的冷却速率为 由此得到导热系数为 （6）如果还要测量另一种材料的导热系数，可打开轴流式风扇，待散热盘P的温

18、度接近室温后再关上风扇。接下来重复步骤25即可。43.数据记录及处理1、铜的比热容 c=393J/(kg)散热盘P：质量m=658 g 半径RP=4.926cm12345DPcm9.8519.8559.8529.8509.852Hpcm0.9920.9900.9910.9930.992铝圆柱：半径RAl=DAl=1.502cm12345DAlcm3.0033.0023.0043.0053.005hAlcm5.8845.8855.8845.8845.883 稳态时T1、T2的值， T1= 89.7 T2= 75.712345T189.789.689.789.989.8T275.575.577.7

19、77.677.8散热速率：时间s0306090120150180210T3/75.169.063.959.555.852.850.047.7 2、根据实验结果，计算出不良导热体的导热系数，并求出相对误差。0.09847E=7.1%4.测量误差的主要来源及测量结果的影响要素利用稳态下的热传导规律，并结合相应的数据处理方法，实验上可以测出样品的导热系数。但从进一步的理论分析、实际测量过程以及实验结果来看，引起实验误差的因素有很多，除了测量仪器的系统误差、稳态的控制和判断、温度测量时的随机误差以及外界环境的影响外，误差的主要来源与以下几个因素有关。(1)稳态下待测样品盘侧面散热的影响 稳态下传热，加

20、热盘温度和散热盘温度恒定，待测样品盘的传热速率与下铜盘的散热速率相同相同。测量中，待测材料应各向同性或在垂直于传热截面S的方向具有相同物性，并且待测样品盘侧面绝热或使样品厚度h较小，忽略侧面散热的影响，上述修正公式才能成立。但“h较小”的度很难把握，并且没有参考资料明确表示，因此样品盘的侧面散热导致其传热速率大于散热盘的散热速率。5(2用散热盘自然冷却的散热速率代替稳态下散热速率的影响 散热盘自然冷却时的散热速率与其在稳态下的散热速率的相等。稳态法测量导热系数中，散热盘自然冷却速率的测量对于导热系数的测量结果有很大的影响。其原因在于两者散热规律的不同。稳态时的散热速率在一定条件下可以认为恒定的

21、，而自然冷却规律实际上并不是呈线性的。因此，散热盘自然冷却速率与其在稳态下的散热速率并不是相等，而是近似的相等。研究分析两个散热速率的关系，使其近似相等是确保实验结果相对准确的前提，对数据的测量方法、数据处理方法的选择以及智能化测量仪器的使用具有重要的理论依据。5 (3)数据测量、选择以及处理方式带来的影响 稳态下的散热速率无法直接测出，实验中采用的是自然冷却时的散热速率代替稳态下的散热速率。其方法法是，先让散热盘温度上升若干，再让其自然冷却，间隔相同时间(30s)记录下散热盘的温度，当其温度下降到T2以下后，再记录若干数据，通过得到的数据即可描绘出冷却规律，进而求得稳态温度T2下的散热速率。

22、温度随时间的冷却规律并非线性关系，因此，数据的测量和选择，直接影响到两个速率的近似相等程度。另外，时间间隔的设定也是数据测量时的重要影响因素，时间间隔太小，温度变化不明显; 时间间隔太大，则没有足够多的数据用来计算其导热系数。5.注意事项1集成温度传感器插入发热盘A和散热铜盘P侧面的小孔时应在温度传感器头部涂上导热硅脂，并插到孔洞底部，避免因传感器接触不良，造成温度测量不准。2实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒上端的固定螺钉。样品取出后，小心将加热圆筒降下，使发热盘A与散热铜盘P接触，重新拧紧固定螺钉。 3实验操作过程中要戴上防热手套，注意防止高温烫伤。 4实验前，要标定一下两测温传感器

23、的读数，若不一致，要进行修正。 5用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约要40分钟左右。待T2的数值在数分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。6.结论本实验采用TC-B3型稳态法测量物体的导热系数。该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方便。与传统电偶测温法比较之下，运用TC-B3型稳态法测量精度较高。但是，想要得到更为精确的实验结果，就必须要熟练掌握TC-B3型稳态法固体导热系数测量仪操作方法，并且掌握实验数据处理方法及其修正。与传统法相比，稳态法在操作上更加简便，读数较精确，测量精度还好。参考文献：1侯瑞宁，罗道

24、斌，王虹.稳态法测导热系数的数据处理方法J.广西物理,2009,30(2);45-47.2蒋志年,光伟,景良.导体导热系数测量J.实验技术与管理.2011(11). 3张琳,宋贤征.导热系数测定过程中下铜板散热速率的理论计算J.大学物理实验,2008,21(4):45-48.4李志，徐崇.不良导体的导热系数的数据处理方法J.大学物理实验,2007,20(4);63-65.5吴同成. 稳态法测量不良导体导热系数原理的修正J.淮海工学院学报(自然科学版) .2009,2(4).安徽师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书题目良导体导热系数的测定研究学生姓名王雪佳学 号120801035指导教师金伟

25、学 院物理与电子信息学院专 业物理学职称副教授选题的意义：导热系数表征着物质导热能力的大小，是反映材料传热性能的重要物理量，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用在理论研究和工程设计、应用方面具有重要意义。它与材料的组成结构、容重、温度等因素有关。基于此，对导热系数的测量一直是大学物理实验的重要内容，但由于实验的测量原理的不理想，以及装置本身设计的不足,导致测量结果与材料导热系数的标准值相差较大。因此如何提高实验测量的准确度，减少不必要的实验误差，在大学物理对导热系数的测定研究中具有重要的实用意义。研究状况：迄今为止，测量导热系数的方法很多，按照测试状态分类，可分为稳态法与非稳态法；按照被测试样的形状与种类，导热系数的测量方法可分为平板法、棒状试样法、圆筒形法、圆球法等。在过去的几十年里，又发展了大量的新的测试方法与系统，然而对于一定的应用场合来说并非所有方法都能适用。采用何种测试方法或仪器装置，往往要从材料的导热系数范围、样品可能做成的几何形状、数据所需的精确度、测量周期及所需费用等一系列因素综合考虑后确定。主要内容：通过稳态法测量良导体导热系数，分析