稳态法测量固体导热系数.ppt

华中科技大学物理实验中心 一、背景 热量的传递一般分为三种：热传导、热对流、以及热辐射。其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。不同物体的导热性能各不相同，导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物体称为不良热导体。 定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，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。 导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。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精确测定。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。 稳态法是在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。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。 二、实验目的 1．了解热传导现象的物理过程。 2．了解物体散热速率和传热速率的关系。 3．学会用铂电阻型传感器测定温度。 4．学习一种测量材料导热系数的实验方法。 三、实验原理 图一 导热系数实验装置示意图 当如图一所示的系统达到热平衡时，通过待测样品的传热速率和散热铜盘向侧面和下面的散热速率相同，即有 （1 （1） 式（1）中θ10、θ20是传热稳定时的样品上下表面温度， 是样品的传热速率， 是铜盘散热率。 根据傅立叶的热传导定律，（1）式左边可以写为： （2） 而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（1）式右边可以写为： （3） 式(3)中M 是散热紫铜盘的质量，C 是其比热。 这样，只要测出散热铜盘的冷却速率 ，就 可以联立（1）、（2）及（3）式而得出导热系数λ，但是，当散热铜盘处在稳定系统中时，其冷却速率不方便测 量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应的冷却速率我们不妨记为 ，根据散热速率也即冷却速率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系式成立： 于是我们可以进一步得出导热系数λ的表示式为： （4） 四、实验仪器 1．TC-3B型λ测试仪和测试架 2．待测样品（环氧圆盘、硅橡胶盘） 3．游标卡尺 4．手套 五、实验过程 1、测量样品盘及散热铜盘的几何尺寸和其它有关参数； 2、安装仪器，置放温度传感器，设置温度参数； 3、打开加热开关加热，每2分钟记录一次散热铜盘的温度，等待稳定状态到来； 4、达到稳态时，记录样品上下表面的温度（θ10和θ20）； 5、去掉样品后，让散热铜盘在稳定温度 θ20的基础上升温若干度，然后让其在空气中自然冷却，记录其温度随时间降低的数据（每30秒记录一次），记到θ20 以下至少有五个数据。 六、数据处理 1．将测量数据填入数据表格。 2 ．利用散热盘温度随时间变化的数据作散热曲线，并选择θ20附近10组数据， 用逐差法计算散热盘散热速率 ，进而计算待测样品导热系数λ。 3．计算不确定度Uλ，并给出结果表述。 说明：因本实验主要误差来源于散热速率的测量，所以计算不确定度时，只考虑这一项即可。 七、注意事项 1．实验操作过程中，要注意防止高温烫伤； 2．测温传感器插入小孔时抹些硅油，并插到孔洞底部，使之保证良好接触； 3．实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致，要进行修正； 4．用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约要半个小时左右。待θ2的数值在数分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。（由于控温精度有限， θ1、θ2 的读数可能会出现波动 ） 5 ． 测量稳态温度和散热速率过程中，要注意保持一样的环境条件。 6.实验之后，整理好仪器设备，做好清洁卫生。 散热盘冷却曲线 物体的散热（或冷却）遵守牛顿冷却定律，冷却的快慢用冷却速率来表示，冷却的快慢与物体及环境间的温差、物体的散热面积、冷却介质、传热方式（热传导、热对流以及热辐射）等因素有关，冷却曲线在温度范围不太大时，局部可以用线性关系近似。 附录 物体的冷却速率 附录 铂金属热电阻测温原理电路图 Rt为铂热电阻 Va接稳压电源 Vo接直流电表 左侧为电