稳态法测金属导热系数

PAGE3/NUMPAGES3稳态法测金属导热系数南昌大学物理实验报告

课程名称：大学物理实验

实验名称：稳态法测金属导热系数

学院：前湖学院专业班级：15级综合实验班学生姓名：于泽尧学号：5901115068实验地点：基础实验大楼103座位号：11

实验时间：第八周星期五下午四点开始

稳态法测量金属导热系数

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。因此，材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但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，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。一、实验目的

用稳态法测定金属良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。二、实验仪器

TC-3型导热系数测定仪、杜瓦瓶。三、实验原理

1882年法国数学、物理学家傅里叶给出了一个热传导的基本公式——傅里叶导热方程。该方程表明，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1>T2），若平面面积均为S，在t?时间内通过面积S的热量Q?满足下述表达式：

12TTQ

Sth

λ-?=?（1-1）式中

Q

t

??为热流量，λ为该物质的热导率（又称作导热系数）。λ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W/（m·K）。

本实验仪器如图8-1所示。在支架D上先放置散热盘P，在散热盘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，发电器通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，在样品B上、下分别有一小孔，可用热电偶测出其温度T1和T2。由式（1-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为

212B

RBTTQ

thλπ-?=?（1-2）式中RB为样品的半径，hB为样品上下小孔之间的距离，当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围散热的速率相等，因此，可以通过铜盘P在稳定温度时的散热速率来求出热流量

Q

t

??。试验中，在读得稳定时的T1，T2和T3后，即可将B盘移去，而使A盘的底面直接与铜盘P接触。当铜盘P的温度上升到高于稳定时的值若

干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却。观察其温度随时间的变化情况，由此求出铜盘的冷却速率。考虑到散热面积的问题，需要对散热面积进行一定的修正。最终的计算公式如下：

2

12(2)?1

=?

(22)()PPBPpBRhhTmc

tRhTTRλπ+??+-（1-3）四、实验内容

1)先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端，并在金属圆筒两端涂上导热硅胶，然后置于加热盘A和散热盘P之间，调节散热盘P下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热盘A及散热盘P紧密接触。

2)在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆筒侧面上下的小孔中，并分别将热电偶的接线连接到导热系数测定仪的传感器Ⅰ、Ⅱ上。3)接通电源，将加热开关置于高档，当传感器Ⅰ的温度T1对应的热电势约为3.5mV时，再将加热开关置于抵挡，约40min。4)待达到稳态时，每隔两分钟记录温度值T1、T2。5)测量记录散热盘的温度T3。6)测量散热盘P在稳态附近的散热速率

T

t

??：移开加热盘A，先将两侧温热端取下，再将测温端插入散热盘的侧面小孔，取下样品，使加热盘与散热盘直接接触，当散热盘的温度高于稳态值对应的热电势约0.2mV时，移开加热盘，使散热盘自然冷却，每隔30s记录一次数据。

五、数据与结果

C铜=0.09197cal/(g℃)1cal=4.1868J

散热盘P：m=788gRp????=6.31cmhp???=0.69cm金属圆桶B：RB????=1.95cmhB???=9cm

表1

3表2

散热速率：ΔU

?Δt=31.910-?mV/s（计算得ΔT

?=0.51mV；ΔT

?Δt=0.0019mV/s）

六、数据处理

T1=2.462mV；T2=1.89mVλ=mc

ΔTΔt(Rp+2hp)?hB(2Rp+2hp)(T1?T2)?1

πRB

2=0.4364(cal?cm-1?s-1?℃-1)

=1.827×102(W/(m?K))

九、误差分析：

由给定数据可知，铝的热导率为2.0×102W/(m?K)，故本实验存在误差，有以下几点分析：

1.由于实验装置接触不够紧密，散热面积有所偏差等因素所造成；/r