穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)

1、穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)姓名 學(xué) 號(hào) 班級(jí) 桌號(hào) 同組人 教 室 基1307 日期 2 0 年 月 日 時(shí)段 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 理解導(dǎo)熱系數(shù)的概念及意義；2. 學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)思想；3. 了解熱電偶測溫原理。二、實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（含實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)字電壓表、數(shù)字秒表、PID自動(dòng)控溫裝置）保溫杯及冰水混合物測試樣品：橡皮、牛筋、電木，三選二。三、實(shí)驗(yàn)原理1. 熱傳導(dǎo)定律1）導(dǎo)熱是物體相互接觸時(shí)，由高溫部分向低溫部分傳播熱量的過程。當(dāng)溫度的變化只是沿著一個(gè)方向(設(shè)z方向)進(jìn)行時(shí)，熱傳導(dǎo)的基本公式可寫為：（1） 它表示在 。dT/dz 為 ；為 ，它的大小由 決定，單位為

2、，它是表征 的物理量，式中負(fù)號(hào)表示 。2）利用公式（1）測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵：在A、B、P盤內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/dz的前提下，利用A盤向P盤的熱傳導(dǎo)速率和P盤向空氣的散熱速率相等進(jìn)行測量(圖1)。2. 在材料內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/dz將待測樣品盤B夾在兩個(gè)銅盤之間形成如圖一所示的“三明治”結(jié)構(gòu)，熱量由加熱的高溫銅盤A通過樣品盤B向低溫銅盤P傳遞，若B盤很薄，通過側(cè)邊向周圍環(huán)境的散熱可以忽略，則可視為“三明治”結(jié)構(gòu)內(nèi)熱流沿垂直盤面方向傳遞。當(dāng)上下銅盤溫度保持不變時(shí)，此時(shí)可視為穩(wěn)定導(dǎo)熱，即在材料內(nèi)部建立起了穩(wěn)定的溫度梯度。設(shè)A、P銅盤溫度為T1、T2，樣品盤厚度為h，（2）則溫度梯

3、度可近似表示為： T1、T2、h、s可測，只要測量出傳熱速率K=dQ/dt，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)。 （請思考實(shí)驗(yàn)采用圓形銅盤作為加熱和散熱盤的原因并回答第六部分中的思考題。）3. 傳熱速率K=dQ/dt的測定（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)法的特點(diǎn)，為維持材料內(nèi)部穩(wěn)定的溫度梯度分布，必須使整個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)的輸入熱量和散出熱量相等，即整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱量傳遞的動(dòng)態(tài)平衡，于是通過樣品的傳熱速率等于低溫下銅盤在溫度T2的散熱速率。（2）閱讀教材，簡要闡述實(shí)驗(yàn)中用下銅盤在溫度T2時(shí)的降溫速率代替散熱速率的實(shí)驗(yàn)思想，并推導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)用公式。四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶測上下銅盤溫度，所使用的數(shù)字電壓表集成在了儀器

4、上，其溫度與電動(dòng)勢的關(guān)系見實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后附表銅康銅熱電偶分度表。注意：必須明確和注意電熱爐設(shè)定溫度、爐溫、熱電偶1和熱電偶2所測溫度之間的區(qū)別和聯(lián)系。1 用游標(biāo)卡尺測量樣品厚度，多次測量取平均值，記錄下銅板的幾何尺寸、質(zhì)量（刻在下銅盤側(cè)面）、比熱容等物理量；2 安裝樣品和上下銅盤形成“三明治“結(jié)構(gòu)，注意將樣品適度夾緊，銅盤與樣品盤之間不要留有空隙。熱電偶插入測溫小孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插入冰水混合物中。3 手動(dòng)控溫法要求手動(dòng)控制并保持電熱爐的爐溫在60 oC左右，利用手動(dòng)“高低檔位”和“斷電檔位”把爐溫控制在60 oC左右；從高溫的上銅盤通過材料層傳給下銅盤的熱量大于下

5、銅盤散出的熱量，下銅盤溫度逐漸升高。上銅盤通過材料層傳給下銅盤的熱量等于下銅盤散出的熱量，下銅盤溫度不再升高，系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)。（觀察下銅盤的溫度變化，5分鐘不變，可視為達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)）。記錄上下銅盤熱電偶電壓VT1、VT2（單位mV）。4 用自動(dòng)控溫法測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。設(shè)置電熱爐的設(shè)定溫度為60 ，將電熱爐“自動(dòng)”檔打開，等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測出熱電偶電壓VT1、VT2值。5 移去樣品，直接加熱下銅盤到60oC以上，然后移去上銅盤及材料盤，讓下銅盤自然冷卻。當(dāng)下銅盤溫度達(dá)到60 oC附近后，每隔30 s讀一次下銅盤的溫度示值(要求在T2上下各有3組以上有效數(shù)據(jù))。利用記錄的數(shù)據(jù)，用最小二乘法(手機(jī)A

6、PP中有計(jì)算工具)得到下銅盤在T2溫度的自然冷卻速率K。6 查附表得到熱電偶電壓值對(duì)應(yīng)的溫度，換算為絕對(duì)溫度值，分別計(jì)算兩種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。注意：自動(dòng)升溫較慢時(shí)，可先用手動(dòng)高檔加熱，臨近60時(shí)再轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制；自動(dòng)控溫顯示的是電熱爐內(nèi)置熱電偶測得的爐絲溫度，與電壓表換算出的上銅盤溫度通常不一致（二者定標(biāo)位置不同），實(shí)驗(yàn)中記錄上銅盤溫度作為T1。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、材料盤厚度測量要求3次測量，銅盤的半徑、質(zhì)量厚度等數(shù)據(jù)在盤側(cè)面刻印，銅的比熱在教材中查。相關(guān)數(shù)據(jù)用表格表達(dá)。2、分別用手動(dòng)方式、自動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，并記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)的材料層上下表面的溫度。表3 溫度測量數(shù)據(jù)記錄如下表。樣品名稱上

7、銅盤下銅盤（手動(dòng)）熱偶電壓(mV) 熱偶電壓(mV)上盤溫度(oC)下盤溫度(oC)（自動(dòng)）熱偶電壓(mV) 熱偶電壓(mV)上盤溫度(oC)下盤溫度(oC)3、利用記錄的數(shù)據(jù)，用最小二乘法(手機(jī)APP中有計(jì)算工具)得到下銅盤在T2溫度的自然冷卻速率K。表4 下銅盤自然冷卻溫度記錄表(T2上下取7組數(shù)據(jù))時(shí)間t（s）T（mv）時(shí)間t（s）T（mv）用最小二乘法計(jì)算冷卻速率K及相關(guān)系數(shù)r4、計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由公式 計(jì)算2種材料導(dǎo)熱系數(shù)（自行設(shè)計(jì)）六、思考題1.為什么實(shí)驗(yàn)中的加熱盤A和散熱盤P均采用銅盤？ 2. 應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法是否可以測量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，如可以對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品有什么要求，實(shí)驗(yàn)方法與測不

8、良導(dǎo)體有什么區(qū)別。（請從穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)思路去思考）？ 附表：銅康銅熱電偶分度表熱電勢（mV）溫度()0123456789000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.430.470.510.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.830.870.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.321.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.781.8281.8651.9071.951.992502.0352.0782.1212.1642.2072.252.2942.3372.382.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.