测热导率实验

稳态法测量不良导体的导热系数学生：张荀学号：3080831013【实验目的】1．了解热传导现象；2．学习用稳态法测非良导体的导热系数；3．学会用作图法求冷却速率。【实验原理】1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为9、9,根据傅立叶传导方程，在At12时间内通过样品的热量AQ满足下式：(1)AQ=九1(1)At hB式中九为样品的导热系数，h为样品的厚度，s为样品的平面面积，实验中样品B为圆盘状，设圆盘样品的直径为d，则由（1）式得:B(2)AQ(2)At 4hB实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P，散热盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B，样品B上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘C是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度9和9不变，这时可以认为12加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘P在稳定温度9时的散热速率来求出热流量AQ。2 At实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度9和9后，将样品B抽去，让12加热盘C与散热盘P接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的92值20。C或者20°C以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度9随

时间t的下降情况，求出散热盘在6时的冷却速率A62At，则散热盘P在6时26=62的散热速率为：A9AQ=mcAt At时间t的下降情况，求出散热盘在6时的冷却速率A62At，则散热盘P在6时26=62的散热速率为：A9AQ=mcAt At(3)6巴其中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修正：AQ A6 二mc—AtAt6=62(兀R2+2兀Rh)PPp(2兀R2+2兀Rh)PPP(4)其中R为散热盘P的半径,P由（2）式和（4）式可得：h为其厚度。P6-6九2兀4hB所以样品的导热系数九为：A6九=mc AtA6mc-Ato=o0=02(兀R2+2兀Rh)PPp(2kR2+2兀Rh)P(R+2h)pp _\o"CurrentDocument"(2R+2h)(6 -6)兀P P1 24hBPP(5)(6)实验仪器】FD-TC-B型导热系数测定仪装置如图1所示，它由电加热器、铜加热盘C,橡皮样品圆盘B，铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。前视图 后视图前视图 后视图图1FD-TC-B导热系数测定仪装置图【实验内容】1） 取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；2） 按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，

另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。(注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换。)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从FDHC，然后显示当时温度，当转换至b==・=，用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。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，可每隔一分钟记录一次，待在10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。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。C，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的0值20°C左右即可。2移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，由临近0值的温度数据中计算冷却速率竺 。2 At0七也可以根据记录数据做冷却曲线，用镜尺法作曲线在0点的切线，根据切2线斜率计算冷却速率。根据测量得到的稳态时的温度值0和0，以及在温度0时的冷却速率，由122\o"CurrentDocument"(R+2h)4h 1P P B—(2R+2h)(0 -0)兀d20=02 P P12 B数。公式九=A0me—At计算不良导体样品的导热系注意事项】1．为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，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，注意不要中间有空气隙；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。样品：橡皮；【数据记录及处理】样品：橡皮；室温：6C；散热盘质量：m=891.42g；散热盘比热容(紫铜)：C=385J/(散热盘质量：m=891.42g；散热盘厚度h(多次测量取平均值):P

散热盘厚度次数123456平均值h/mm7.637.627.737.617.737.657.66' 散热盘直径次数123456平均值D/mm D 130.00129.98130.00129.99130.01130.00130.00橡皮样品厚度次数123456平均值h/mm8.078.078.068.058.058.068.06橡皮样品直径次数123456平均值d/mm——B 129.22128.82128.92128.16129.00128.99128.85稳态时（10分钟内温度基本保持不变）样品上表面的温度示值0二79.9。C,1样品下表面温度示值0二41.8。C；2每隔30秒记录一次散热盘冷却时的温度示值如下表记录次数0123456789100/°C61.860.057.655.453.151.149.147.345.644.042.3记录次数11121314151617181920210/C40.939.538.236.935.734.533.532.531.530.629.8用matlab作冷却曲线得到：图2散热盘冷却曲线取临近02温度的测量数据求出冷却速率寻=—0.09914。0=41.8°C将以上数据代入公式（将以上数据代入公式（6）计算得到:. A0九=me AtTOC\o"1-5"\h\z(R+2h) 4hp P B(2R