大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課件熱導(dǎo)率的測(cè)定

1、熱熱 導(dǎo)導(dǎo) 率率 的的 測(cè)測(cè) 定定 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 ：描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的一個(gè)物理量。描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的一個(gè)物理量。 在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料的熱導(dǎo)率常用實(shí)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料的熱導(dǎo)率常用實(shí) 驗(yàn)的方法測(cè)定。大體上分為驗(yàn)的方法測(cè)定。大體上分為穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法和和動(dòng)態(tài)法動(dòng)態(tài)法。 本實(shí)驗(yàn)包括本實(shí)驗(yàn)包括 兩個(gè)內(nèi)容：用穩(wěn)態(tài)發(fā)測(cè)不良導(dǎo)體的熱兩個(gè)內(nèi)容：用穩(wěn)態(tài)發(fā)測(cè)不良導(dǎo)體的熱 導(dǎo)率；用動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。導(dǎo)率；用動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵髮?shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?1.學(xué)習(xí)兩種測(cè)量熱導(dǎo)率的方法，了解穩(wěn)態(tài)法和動(dòng) 態(tài)法測(cè)熱導(dǎo)率的特點(diǎn)。 2.熟悉基本熱學(xué)儀器的使用，認(rèn)識(shí)熱波、加強(qiáng)對(duì) 波動(dòng)理論的理解。 3.

2、了解用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)記錄處 理的特點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 l熱熱傳導(dǎo)遵循的基本規(guī)律傳導(dǎo)遵循的基本規(guī)律傅立葉定律：傅立葉定律： 傳熱速率Q/t 與該平面所在處的溫 度梯度成正比，與平面面積S 成正比。 0 d d x QT S tx 熱傳導(dǎo) 二二 穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率：穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率： 原理公式：原理公式： 穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)：經(jīng)一段時(shí)間后，如果在樣品的傳熱方向各截面的傳熱速經(jīng)一段時(shí)間后，如果在樣品的傳熱方向各截面的傳熱速 率率Q/t相同，那么樣品內(nèi)部將形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布狀態(tài)。相同，那么樣品內(nèi)部將形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 時(shí)樣品上下溫度將各自停留在某個(gè)溫度。傳

3、熱速率時(shí)樣品上下溫度將各自停留在某個(gè)溫度。傳熱速率Q/t 和溫度梯度和溫度梯度 （dT/dt）是一個(gè)確定的值。）是一個(gè)確定的值。 0 d d x QT S tx 關(guān)鍵關(guān)鍵是使樣品內(nèi)部形成是使樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)。 AP B TTQ S th 二二 穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率：穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率： 穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，加熱盤(pán)給穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，加熱盤(pán)給 樣品加熱多少熱量，就有多少熱量通過(guò)散熱盤(pán)散出。樣品加熱多少熱量，就有多少熱量通過(guò)散熱盤(pán)散出。 穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品的傳熱速率穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品的傳熱速率 = 穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤(pán)散熱速率穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤(pán)散熱速率 注意：注意

4、：穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤(pán)溫度為穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤(pán)溫度為TP ，且只有，且只有下表面下表面 和側(cè)面和側(cè)面參與散熱。參與散熱。 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將樣品取下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將樣品取下， 讓加熱盤(pán)讓加熱盤(pán) A 與散熱盤(pán)與散熱盤(pán)P 直接接直接接 觸，給散熱盤(pán)加熱。當(dāng)散熱盤(pán)觸，給散熱盤(pán)加熱。當(dāng)散熱盤(pán) P的溫度比的溫度比 高出 高出10后，移后，移 走加熱盤(pán)走加熱盤(pán)A。散熱盤(pán)。散熱盤(pán)P向周圍散向周圍散 熱，在散熱盤(pán)散熱的過(guò)程中，熱，在散熱盤(pán)散熱的過(guò)程中， 每每30秒記錄一次散熱盤(pán)溫度，秒記錄一次散熱盤(pán)溫度， 測(cè)得散熱盤(pán)溫度隨時(shí)間變化的測(cè)得散熱盤(pán)溫度隨時(shí)間變化的 一組數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)組繪制一組數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)組繪制 冷卻曲線。冷卻

5、曲線。 散熱盤(pán)P P的冷卻曲線圖 所有面所有面參與散熱的散熱盤(pán)P的散熱速率與其冷卻速率的 關(guān)系為： 部分面部分面參與散熱的散熱盤(pán)P的散熱速率與其冷卻速率的 關(guān)系為： 不良導(dǎo)體 B 的熱導(dǎo)率為： 2 PP TT SSQT mc ttSS 側(cè) 側(cè) PP TT QT mc tt 2 4 1 2 2 P p B TpAP Dh hT mc tDh TT D 三三 動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體的導(dǎo)熱率動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體的導(dǎo)熱率 為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，令熱量沿一維傳播，故將樣品制成棒狀，周邊 隔熱，取一小段樣品如圖: 根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某垂直于傳播方向面積A的 熱量，即熱流為 Q= KAdT/dx 其中K為待測(cè)材料的

6、熱導(dǎo)率，dT/dx是溫度對(duì)坐標(biāo)x的梯度。 Q = -KAdT/dx 兩邊對(duì)坐標(biāo)取微分有: d&= -KA（d2T/dx2）dx 根據(jù)能量守恒定律，任一時(shí)刻棒元的熱平衡方程為： CAdx(dT/dt)=d&=-KA(d2T/dx2)dx 其中C,分別為材料的比熱容與密度。 由此可得熱流方程: （dT/dt）=D(d2T/dx2 ) 其中D=K/c,稱為熱擴(kuò)散系數(shù)。 該式得解將把各點(diǎn)得溫度隨時(shí)間得變化表示出來(lái)，具體形式取決 與邊界條件。 若令熱端的溫度按時(shí)間間諧變化，即 T=To+Tmsint 令一端用冷水冷卻，保持恒定低溫To，則原式的解也就是棒中各 點(diǎn)的溫度為： 其中To是直流成分，是線性成分

7、的斜率，從本式中可以看出： ）熱端（x=0）出溫度按間諧方式變化時(shí)，這種變化將以衰減 波的形式在棒內(nèi)想冷端傳播，稱為熱波，也就是溫度波。 ）熱波波速： ）熱波波長(zhǎng)： 因此在熱端溫度變化的角頻率已知的情況下， 只要測(cè)出波速或波長(zhǎng)就可以計(jì)算出D。 然后由D=K/c計(jì)算出材料的熱導(dǎo)率K。 即： V2=2（K/C） 則： K=V2c/4f= V2cT/4 其中f,T分別為熱端溫度按間諧變化的頻率和周期 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 一、穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率一、穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率 1調(diào)整儀器裝置； 2控制實(shí)驗(yàn)條件以使樣品盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)， 記錄此時(shí)加熱盤(pán)和散熱盤(pán)溫度； 3測(cè)量散熱盤(pán)的散熱過(guò)程，記錄散熱盤(pán)溫度 隨時(shí)

8、間變化的一組數(shù)據(jù)。 二、動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體熱導(dǎo)率二、動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體熱導(dǎo)率 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 （）打開(kāi)自來(lái)水源，調(diào)節(jié)流量（250ml/min)。 （）打開(kāi)電腦，啟動(dòng)“熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)測(cè)量”程序。 （）打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)、主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 （）打開(kāi)熱水，調(diào)節(jié)流量（250ml/min)。 （）在程序中，在儀器操作面版上，選擇“程控”工作模 式 。設(shè)置脈動(dòng)熱源周期為180秒。選擇銅或鋁樣品進(jìn)行測(cè) 量。 二、動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體熱導(dǎo)率二、動(dòng)態(tài)法測(cè)良導(dǎo)體熱導(dǎo)率 （）設(shè)置X，Y軸的單位坐標(biāo)，X方向?yàn)闀r(shí)間，單位為秒；Y方向代 表信號(hào)強(qiáng)度，單位為毫伏（與溫度相對(duì)應(yīng)）。 （）在“選擇測(cè)量點(diǎn)”欄中選擇8個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 （）按“操作”欄的“測(cè)量”鍵，儀器開(kāi)始測(cè)量工作，在顯示屏上 漸漸劃出T-t 曲線簇。上述步驟進(jìn)行至少40-60分鐘系統(tǒng)穩(wěn)定后， 樣品內(nèi)溫度也已