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

1、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)姓名學(xué)號(hào)班級(jí)桌號(hào)教室基1307日期20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(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)思想；3. 了解熱電偶測(cè)溫原理；二、實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(cè)試樣品：橡皮、牛筋。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(guò)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(xiě)為：dQ=（ 1）它表示在。dT/dz 為；為，它的大小由決定，單位為，它是表征的物理量， 式中負(fù)號(hào)表示。（ 2

2、）利用公式（ 1）測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵：在 A 、B、P 盤(pán)內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/dz的前提下，利用 A 盤(pán)向 P 盤(pán)的熱傳導(dǎo)速率和P 盤(pán)向空氣的散熱速率相等進(jìn)行測(cè)量(下圖 )。2. 在材料內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/dz將待測(cè)樣品盤(pán)B 夾在兩個(gè)銅盤(pán)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(pán)A 通過(guò)樣品盤(pán)B 向低溫銅盤(pán)P 傳遞，若 B 盤(pán)很薄，通過(guò)側(cè)邊向周圍環(huán)境的散熱可以忽略，則可視為加熱T1散熱T2石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第1頁(yè)共6頁(yè)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)“三明治”結(jié)構(gòu)內(nèi)熱流沿垂直盤(pán)面方向傳遞。當(dāng)上下銅盤(pán)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

3、穩(wěn)定的溫度梯dT =T =T2hT1（2）dzh度。設(shè) A 、 P 銅盤(pán)溫度為 T1、T2，樣品盤(pán)厚度為h，則溫度梯度可近似表示為：請(qǐng)思考 實(shí)驗(yàn)采用圓形銅盤(pán)作為加熱和散熱盤(pán)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(cè)定通過(guò)某一截面積的傳熱速率是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量，需要轉(zhuǎn)化為易測(cè)量的量。（ 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(guò)樣品的傳熱速率等于低溫下銅盤(pán)在溫度 T2 的散熱速率。但該散熱速率也不易直接測(cè)量，需進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。（ 2）請(qǐng)簡(jiǎn)要闡述實(shí)驗(yàn)中用下銅盤(pán)在溫度T

4、2 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。石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第2頁(yè)共6頁(yè)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)選用銅 -康銅熱電偶測(cè)上下銅盤(pán)溫度，所使用的數(shù)字電壓表集成在了儀器上，其溫度與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系見(jiàn) 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(cè)溫度之間的區(qū)別和聯(lián)系。1 用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品、下銅板的幾何尺寸，多次測(cè)量取平均值，并記錄所需質(zhì)量，比熱容等物理量；2 安裝樣品和上下銅盤(pán)形成“三明治 “結(jié)構(gòu)， 注意銅盤(pán)與樣品盤(pán)之間不要留有空隙。熱電偶插入測(cè)溫小孔底部，使熱電偶測(cè)溫端與銅盤(pán)接觸良好，

5、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60oC 左右 ，先將電源電壓打到高檔，加熱至 65 oC 附近，利用手動(dòng) “高低檔位 ”和 “斷電檔位 ”把爐溫控制在 60 oC 左右；待上銅盤(pán)溫度穩(wěn)定后，觀察下銅盤(pán)的溫度變化，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)（如10 分鐘）下銅盤(pán)溫度示值基本不變時(shí)，記錄上下銅盤(pán)熱電偶電壓VT1、VT2（單位 mV ）。4 用自動(dòng)控溫法 測(cè)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(kāi)，等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)出熱電偶電壓VT1、 VT2 值。5移去樣品，直接加熱下銅盤(pán)到60oC 以上，然后移去上銅盤(pán)，讓下銅盤(pán)自然冷卻。當(dāng)下銅

6、盤(pán)溫度達(dá)到 60 oC 后，每隔 30 s 讀一次下銅盤(pán)的溫度示值，直到40 oC 后停止記錄。利用記錄的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫(huà)出銅盤(pán)的散熱曲線，由散熱曲線得到下銅盤(pán)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(cè)得的爐絲溫度，與電壓表?yè)Q算出的上銅盤(pán)溫度通常并不一定一致（二者定標(biāo)位置不同），實(shí)驗(yàn)中記錄上銅盤(pán)溫度作為T(mén)1。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、自行設(shè)計(jì)記錄表格，包括所需測(cè)量的銅盤(pán)、材料盤(pán)的尺寸、質(zhì)量等。石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第3

7、頁(yè)共6頁(yè)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)2、用手動(dòng)方式測(cè)量牛筋的導(dǎo)熱系數(shù)，用自動(dòng)方式測(cè)量橡皮（或電木）的導(dǎo)熱系數(shù)。溫度測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如下表。樣品名稱o上銅盤(pán)參數(shù)下銅盤(pán)參數(shù)電熱爐溫度 （ C）橡皮爐溫?zé)崤茧妷?(mV)熱偶電壓 (mV)上盤(pán)溫度 (oC)下盤(pán)溫度 (oC)牛筋爐溫?zé)崤茧妷?(mV)熱偶電壓 (mV)上盤(pán)溫度 (oC)下盤(pán)溫度 (oC)oo3、在坐標(biāo)紙上畫(huà)出P 盤(pán)從 60 C 冷卻到 40 C 的降溫曲線。下銅盤(pán)降溫速率記錄表（自行設(shè)計(jì)）4、計(jì)算橡皮材料的導(dǎo)熱系數(shù)。K 橡皮=石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第4頁(yè)共6頁(yè)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)橡皮 =5、計(jì)算牛筋材料的導(dǎo)熱系數(shù)。K 牛筋=牛筋

8、=六、思考題1.為什么實(shí)驗(yàn)中的加熱盤(pán)A 和散熱盤(pán) P 均采用銅盤(pán)？2. 應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法是否可以測(cè)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(cè)不良導(dǎo)體有什么區(qū)別。 （請(qǐng)從穩(wěn)態(tài)法測(cè)定不良導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)思路去思考）？石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第5頁(yè)共6頁(yè)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)附表：銅 康銅熱電偶分度表熱電勢(shì)（ mV ）溫度 ()0123456789000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.430.470.510.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.830.870.9110.951

9、0.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.321.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.781.8281.8651.9071.951.992502.0352.0782.1212.1642.2072.252.2942.3372.382.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843