热学实验3 不良导体导热系数测定

实验三不良导体导热系数测定导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换（导热、对流和辐射）三种基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，要认识导热的本质和特征，就需要了解材料的导热机理。而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定，因此，在加热器、散热器、管道热传递设计等工程实践中具有实际意义。1882年法国物理学家约瑟夫·付里叶(Joseph·Fourier)奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。【实验目的】1．了解热传导的基本规律及散热速率的概念；2．学习稳态平板法测定不良导体导热系数；3．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。【实验仪器和用具】智能导热系数测定仪，调压器，热电偶，保温杯，电加热盘，游标卡尺，待测样品。【实验原理】当温度不同的两个物体相接触，或物体内部温度梯度存在时，物体间或物体内部就会发生热传导现象。描述热传导规律的基本方程——付里叶方程，即当热流在x方向流动时，可用一维方程描述，其形式为：（2-1）其中，为在dt时间内，热流穿过面元的传热速率，是沿面元垂直方向的温度梯度，“—”表示热量传递方向是从高温传向低温方向。为物体的导热系数，其物理含义是：在单位时间内，每单位长度上温度降低1K时，单位面积上通过的热量。单位用W/（m·K）表示。如图1所示为一块厚度为、面积为S不良导体样品为一平板，当维持其上下表面为恒定的温度、（＞），且样品板很薄时，沿方向上的两点很靠近，若面S上各点处的热传导方向不变，且侧面近似绝热，则在很短的时间内穿过面积S的热量可近似表示为：（2-2）式中，为样品在面积S垂直方向上的传热速率。实验测试装置如图2所示。A为电加热盘,热量通过A的底部经待测样品B向下传递，C为接收经样品传递过来热量的铝盘，A、C上开有小孔以备插入热电偶测量样品盘上下表面相对冷端H的温差电动势，可选用数字电压表G读取。F是调压变压器，用来调节输出电压大小，控制电加热快慢。图2为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，加热面、待测样品、散热盘（铝盘C）均为等大圆形，故通过待测样品盘传热速率为：（2-3）、为样品盘上下表面的温度，R为样品盘半径。当传热达到稳态时，、的温度值不变，热源通过样品盘B的传热速率与散热盘C向周围环境的散热速率相等，因而可以通过散热盘在稳定温度时的散热速率来求出样品盘的传热速率。若散热盘的质量为m、比热为c，则散热盘在附近的散热速率为（2-4）由于自然冷却速率是散热盘全部表面暴露于空气中时的数值，散热的外表面积应为，、分别为散热盘的直径和厚度，在稳态时散热盘的上表面是被样品盘覆盖，此时散热盘的外表面积应为，散热速率与它的表面积成正比，则稳态时散热速率应为：（2-5）用散热速率取代传热速率，则式2-3成为：（2-6）本实验采用热电偶来测定样品盘上下表面的温度，温差100℃时，是4mV。若没有智能导热系数仪时，应配用量程0—10mV的数字电压表，要求能够测到0.01mV。设热电偶的温差系数为，则热电偶的温差电动势为，保持冷端温度为T0=273.16K，对热端温度、分别有（2-7）其中，、分别是样品盘上下表面温度所对应的电动势。又由温差电动势公式可得（2-8）将式（2-7）、（2-8）代入式（2-6）中，并将样品盘、散热盘的半径用直径表示D=2R、则得（2-9）散热盘的质量m可由实验室给出，、及、用游标卡尺测得；电动势的下降速率可用数字电压表和秒表测出。【实验内容】1.记录散热盘的质量m和铝的比热容c=896J·kg-1·K-1，用游标卡尺测出样品盘和散热盘的直径、及厚度、，每个量多次测量取平均；2.按照图2安装好仪器，并连接好测量线路。当然这需要铝盘与样品表面的紧密接触，无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度测量不准确；3.打开智能导热系数仪接通调压器的交流电源，用电加热盘给待测样品盘加热。先将调压器调到100V,加热20分钟后，再将电压调到60V稳定加热；4.此时仪器上交替显示样品上下表面的温度（分别为A和B）。这时可输入参数：按下“Rb”键，等Rb显示消失后输入样品的值，按“OK”键确认；按下“Hb”键，等Hb键显示消失后输入样品的值，按“OK”键确认；若输入数据错误，可按“Del”键修改该数据；5.在升温过程中，注意观察温度示数，改变电压使、基本没有变化时，即可认为达到稳定状态，记录此刻的温度后，按下“OK”键，输入数字“1”表示第一步升温到稳定状态完成，、数值得到确认；6.抽出待测样品盘，使加热盘A和铝盘C接触加热，当铝盘C温度升高10℃左右后，移去加热盘A，让铝盘C自然冷却，按下“OK”键，输入数字“2”表示第二步铝盘C自然冷却，此时的温度、计时点已确认；7.在等待铝盘C自然冷却时，注意观察当仪器显示的温度临近的温度值时，按“”键，记录待测样品的导热系数。*8.让铝盘C自然冷却时，当C盘温度降至比高8℃时开始计时（计为），并读取此时C盘温度（即＋8℃）,以后每隔一分钟测一次C盘温度,直到温度比低8℃为止，记下此时时间（计为）和C盘温度（即-8℃），然后以时间为横坐标，以C盘温度为纵坐标，做C的冷却曲线，取＋8℃和-8℃的中点,即，找出对应的时刻，过曲线上的点（t,）做切线，且得出、，则此切线的斜率就是C在时的自然冷却速率，为负表示散热。*9.让铝盘C自然冷却时，当C盘温度降至比高8℃时开始计时（计为），并读取此时C盘温度（即＋8℃）,以后每隔一分钟测一次C盘温度,直到温度比低8℃为止，记下此时时间（计为）和C盘温度（即-8℃），然后用逐差法求冷却速率。t/s060120180240300360420............即【注意事项】1.取放电加热装