實驗29 導(dǎo)熱系數(shù)測定

1、測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)一 實驗?zāi)康?、 學(xué)習(xí)動態(tài)平板法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法。2、 掌握在科學(xué)工作室平臺上利用計算機和熱電偶測量溫度的方法。3、 學(xué)習(xí)根據(jù)動態(tài)平衡的原理測定熱流速率的方法。二 實驗儀器導(dǎo)熱系數(shù)測定儀 杜瓦瓶 熱電偶 游標(biāo)卡尺 500型科學(xué)工作室接口 直流電壓放大器 計算機及科學(xué)工作室接口三 實驗原理（一）動態(tài)平板法動態(tài)平板法測定導(dǎo)熱系數(shù)的原理根據(jù)是法國物理學(xué)家約瑟夫·傅立葉給出的導(dǎo)熱方程式。如圖291，在某一時刻，熱量自溫度為的高溫盤通過厚度為、面積為的導(dǎo)熱樣品平板向溫度為的低溫盤傳導(dǎo)，在秒內(nèi)，從高溫面?zhèn)鞯降蜏孛娴臒崃?，滿足下述表達式： （1） 圖 291式中為熱

2、流速率，為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，亦稱熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱系數(shù)是表示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量之一，其數(shù)值相當(dāng)于相距單位長度的二個平行平面，當(dāng)溫度相差一個單位時，在單位時間內(nèi)，垂直通過單位面積所流過的熱量。通常把導(dǎo)熱系數(shù)小的物體為不良導(dǎo)體，例如，石棉板0.12 ，橡膠0.22，松本0.150.35 ；導(dǎo)熱系數(shù)大的為良導(dǎo)體，約為不良導(dǎo)體的倍，例如銅為。導(dǎo)熱系數(shù)的SI單位是瓦特每米開爾文，單位符號為。動態(tài)平板法圖291所示，這樣的一個熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，在某一時刻，對于溫度為、質(zhì)量為m、比熱為的低溫盤來說，當(dāng)高溫物體通過待測量的樣品材料以的速率給低溫物體輸入熱量，同時低溫物體向四周散熱。根據(jù)能量守恒定律有 （2）式中為低溫

3、物體溫度為時的溫度變化率，為低溫物體溫度為時向四周散熱的溫度變化率。根據(jù)（1）、（2）式有 （3）根據(jù)（3）式只要分別測量出樣品的尺寸、以及低溫物體的質(zhì)量m和比熱，并確定某一時刻的高溫物體溫度和低溫物體溫度以及溫度為時低溫物體的溫度變化率和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化率就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。對于直徑為圓形樣品，（3）式可整理為： （4）（二）實驗裝置及方法實驗裝置如圖292所示，在支架D上先放上圓形散熱銅盤P、待測出樣品B（圓形盤不良導(dǎo)體）和與電熱器連成一體厚底紫銅圓盤A。在A的上方用電熱器L加熱，散熱盤下方用電風(fēng)扇吹風(fēng)散熱，使樣品上、下表面溫度分別為、并分別用安插在A、P側(cè)面深孔中的兩條熱

4、電偶E來測量。利用科學(xué)工作室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度特性的實時采集，并確定各個時刻低溫散熱盤的溫度變化率和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化率。實驗接線如圖293所示，圖292 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀圖29-3 應(yīng)用計算機測量溫度線路連接示意圖熱電偶的輸出經(jīng)兩路直流電壓放大器放大后接入500型科學(xué)工作室接口，利用科學(xué)工作室軟件及計算機采集加熱過程中系統(tǒng)的溫度變化特性以及切斷熱源后散熱盤的散熱曲線，如圖294所示。q2q1圖294 科學(xué)工作室采集到的溫度特性曲線四 實驗內(nèi)容及步驟1、 用游標(biāo)卡尺測量樣品盤的直徑、厚度（重復(fù)測量8次以上）；2、 將樣品盤B放在散熱盤P上面，再將圓筒發(fā)熱盤A放在樣品盤B上方，并將定

5、螺母固定在機架上，調(diào)節(jié)三個螺旋頭，用塞規(guī)檢查，使樣品盤B的上下兩個表面與發(fā)熱圓筒底盤A和散熱盤P緊密接觸。3、按圖29-3接線。將其中一條熱電偶的一端插入杜瓦瓶的一個玻管內(nèi)，另一端插在發(fā)熱圓筒底盤A側(cè)面的孔中；將另外一條熱電偶的一端插入杜瓦瓶的另一個玻管內(nèi)，另一端插在散熱盤P側(cè)面的孔中。 圖29-5 雙通道圖表4、 在判斷了熱電偶的參考端和測量端后，按圖29-3接線，分別將兩路熱電偶的參考端接入兩路放大器的“-”極（黑端），測量端接入“+”極（紅端）。放大器A的輸出接入PASCO科學(xué)工作室500型接口的B通道，放大器B的輸出接入C通道。連接時注意電壓傳感器輸入與放大器輸出極性，同極相連。連線完

6、畢后，接通接口電源，點擊計算機上的科學(xué)工作室軟件圖標(biāo)，進入軟件界面。選擇模擬通道的用戶自定傳感器分別接入500型接口的B、C通道并雙擊進入作相應(yīng)設(shè)置。圖29-6為B通道加熱盤溫度用戶自定義傳感器窗口。拖動到B通道，鼠標(biāo)左鍵點擊圖表中的選擇C通道的“溫度”。選擇完畢，界面如圖29-5雙通道溫度顯示圖表。 5、點擊按鈕，取樣周期選10s。6、連線完畢后，接通電源后，先給加熱器加220V的電壓，加熱約15分鐘后斷開加熱電源并移去加熱器讓銅盤P冷卻。觀察由計算機實時采 圖29-6 用戶自定義傳感器集到的散熱銅盤和加熱銅盤溫度隨時間的變化曲線，按如圖29-4所示求出某一時刻的高溫物體溫度和低溫物體溫度以

7、及溫度為時低溫物體的溫度變化率和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化率的斜率。（PASCO科學(xué)工作室的使用可參考實驗25的相關(guān)內(nèi)容） 五 注意事項 1、 熱電偶插入小孔時，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插入在滴有硅油的玻璃管浸入冰水混合物中。2、準(zhǔn)備工作就緒，點擊監(jiān)察Atrl+M，觀察兩個盤溫度顯示是否合理，正常才能打開加熱開關(guān)。六 數(shù)據(jù)處理要求1、設(shè)計樣品尺寸測量數(shù)據(jù)的記錄表格。2、計算樣品尺寸的測量結(jié)果及不確定度。3、 用計算機做出加熱盤和散熱盤溫度隨時間的變化曲線，并打印。4、在加熱盤和散熱盤溫度隨時間的變化曲線上，用科學(xué)工作室測得某一時刻的加熱盤的溫度和散熱盤的溫度，并用曲線適配求出溫度為時散熱盤的溫度變化率和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化率的斜率