非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量帶實驗數(shù)據(jù)處理

1、本科實驗報告（閱）實驗名稱:非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量實驗11 非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量【實驗?zāi)康暮鸵蟆?.學習熱學實驗的基本知識和技能。2.學習測量非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的基本原理的方法。3.通過做物體冷卻曲線和求平衡溫度下物體的冷卻速度，加深對數(shù)據(jù)圖事法的理解。【實驗原理】 熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分，這種現(xiàn)象叫做熱傳遞。熱傳遞的方式有三種：傳導(dǎo)，對流和輻射。 設(shè)有一厚度為l、底面積為So的薄圓板，上下兩底面的溫度T1，T2不相等，且T1T2，則有熱量自上底面?zhèn)鬣l(xiāng)下底面（見圖1），其熱量可以表示為dQ dT=-SodTdl (1) 圖1 測量樣品式中，dQdT=

2、為熱流量，代表單位時間里流過薄圓板的熱量；dTdl為薄圓板內(nèi)熱流方向上的溫度梯度，式中的負號表示熱流方向與溫度梯度的方向相反；為待測薄圓板的熱導(dǎo)率。 如果能保持上下兩底面的溫度不變（穩(wěn)恒態(tài)）和傳熱面均勻，則dtdl=TL=T2-T1l，于是=dQdT=-SoT2-T1dl (2)得到 =-So(T2-T1)l關(guān)鍵1.使待測薄圓板中的熱傳導(dǎo)過程保持為穩(wěn)恒態(tài)。2.測出穩(wěn)恒態(tài)時的。1 建立穩(wěn)恒態(tài) 為了實現(xiàn)穩(wěn)恒態(tài)，在試驗中將待測薄圓板B置于兩個直徑與B相同的鋁圓柱A,C之間，且緊密接觸，（見圖2）。 圖二 測量裝置C內(nèi)有加熱用的電阻絲和用作溫度傳感器的熱敏電阻，前者被用來做熱源。首先，可由EH-3數(shù)字

3、化熱學實驗儀將C內(nèi)的電阻絲加熱，并將其溫度穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值上。B的熱導(dǎo)率盡管很小，但并不為零，固有熱量通過B傳遞給A，使A的溫度TA逐漸升高。當TA高于周圍空氣的溫度時，A將向四周空氣中散發(fā)熱量。由于C的溫度恒定，隨著A的溫度升高，一方面通過C通過B流向A的熱流速率不斷減小，另一方面A向周圍空氣中散熱的速率則不斷增加。當單位時間內(nèi)A 從B獲得的熱量等于它向周圍空氣中散發(fā)的熱量時，A的溫度就穩(wěn)定不變了。 2.測量穩(wěn)恒態(tài)時的 因為流過B的熱流速率就是A從B獲的熱量的速率，而穩(wěn)恒態(tài)時流入A的熱流速率與它散發(fā)的熱流速率相等，所以，可以通過測A在穩(wěn)恒態(tài)時散熱的熱流速率來測。當A單獨存在時，它在穩(wěn)恒溫度下

4、向周圍空氣中散熱的速率為自=dQdT=cm(dTAdt)=cmn （3） 式中，c為A的比熱容；m為A的質(zhì)量；n=dTAdtT=T2成為在穩(wěn)恒溫度T2時的冷卻速度。 A的冷卻速度可通過做冷卻曲線的方法求得。具體測法是：當A、C已達穩(wěn)恒態(tài)后，記下他們各自的穩(wěn)恒溫度T2,T1后，再斷電并將B移開。使A，C接觸數(shù)秒鐘，將A 的溫度上升到比T2高至某一個溫度，再移開C，任A自然冷卻，當TA降到比T2約高To（）時開始計時讀數(shù)。以后每隔一分鐘測一次TA,直到TA低于T2約To（）時止。測的數(shù)據(jù)后，以時間t為橫坐標，以TA為縱坐標做A的冷卻曲線，過曲線上縱坐標為T2的點做此曲線的切線，則斜率就是A在TA的

5、自然冷卻速度，即n=dTAdtT=T2=Ta-Tbta-tb （4）于是有 自=cmTa-Tbta-tb（5） 但要注意，A自然冷卻時所測出的自與試驗中穩(wěn)恒態(tài)時A散熱是的熱流速率是不同的。因為A在自然冷卻時，它的所有外表面都暴漏在空氣中，都可以散熱，而在實驗中的穩(wěn)恒態(tài)時，A的上表面是與B接觸的，故上表面是不散熱的。由傳熱定律：物體因空氣對流而散熱的熱流速率與物體暴露空氣中的表面積成正比。設(shè)A的上下底面直徑為d，高為h，則有=自(d+4h2d+4h)=cmn(d+4h2d+4h) （6）將（6）帶入（2）式即得=dQdT=-SoT2-T1dl=-SoT2-T1l=2cml(d+4h)d2(2d+

6、4h)(nT2-T1) （7）【實驗儀器】1EH-3型數(shù)字化熱學實驗儀 圖3. EH-3型數(shù)字化熱學實驗儀 圖4. EH-3型數(shù)字化熱學實驗儀2.測導(dǎo)熱率的實驗裝置加熱盤、待測樣品橡膠盤、散熱鋁盤游標卡尺量程： 0125 mm分度值： 0.02 mm 表1 實驗儀器【實驗內(nèi)容】（1）建立穩(wěn)恒態(tài)如圖3、圖4所實驗裝置，連接好電纜線，打開電源開關(guān)，“測量選擇”開關(guān)旋至“設(shè)定溫度”檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定溫度粗選”和“設(shè)定溫度細選”鈕，選擇設(shè)定C盤加熱為所需的溫度（如80）值。將“測量選擇”開關(guān)撥向“上盤溫度”檔，打開加熱開關(guān)，觀察C盤溫度的變化，直至C盤穩(wěn)定恒定在設(shè)定溫度（如80）。再將“測量選擇開關(guān)撥向“

7、下盤溫度”檔，觀察A的溫度變化，若每分鐘的變化 T0.1，則可認為達到穩(wěn)恒態(tài)。記下此時的A和C的溫度T和T。時間測量：按動“啟動”鈕一下，即開始計時；再按動“啟動”鈕一下即暫停計時；按動“復(fù)位”鈕，即歸零。（2）測A盤在T時的自然冷卻速度 在讀取穩(wěn)態(tài)時的T和T之后，拿走樣品B，讓A盤直接與加熱盤C底部的下表面接觸，加熱鋁盤A，使A盤溫度上升到比T高3左右，再移去加熱盤C，關(guān)閉加熱開關(guān)，“測量選擇”開關(guān)撥向“下盤溫度”檔，讓鋁盤A通過外表面直接向環(huán)境散熱（自然冷卻），每隔一分鐘記下相應(yīng)的溫度值，作出A的冷卻曲線，求出A盤在T附近的冷卻速率。（3）用游標卡尺測出待測板A的直徑2R和厚度，記下A盤的

8、質(zhì)量m。（4）根據(jù)式（7）出待測材料的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦嶒灁?shù)據(jù)及誤差分析】A T2=51.58B T1=57.27To=3A在T2時的冷卻曲線數(shù)據(jù)t/min012345678910T/51.58+554.0153.2652.4751.7251.0450.3549.6648.0148.3551.58-5-0.83表2 圖 5由圖得 n=-0.83穩(wěn)恒態(tài)時T1,T2數(shù)據(jù)123456T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27T1-T25.675.685.705.715.705.70 表3 S=的不確定度：=0.0157

9、9（）所以： T1-T2=5.690.02（）薄圓板A的直徑D與厚度的數(shù)據(jù)lmm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表4表徑D S=的A類不確定度：=0.1112（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： D=99.560.11（mm）=0.099560.00011(M)厚度hS=的A類不確定度：=0.1759（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=2.340.18（mm）=0.012340.00018(M)厚度lS=的

10、A類不確定度：=0.0197（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=9.350.03（mm）=0.00940.0004(M)另外mA =0.26kg,c=0.89kj/kg，為單次測量，不考慮A類不確定度計算薄圓板的導(dǎo)熱率=2.51×10-2W/mK對應(yīng)的誤差傳遞公式為：0.04514.51%W/mK最終測得待測材料的導(dǎo)熱系數(shù)=（2.6±0.2）×10-2W/mK【注意事項】 待測平板上、下平面的溫度、是用加熱圓盤C的底部和散熱鋁盤A的溫度來代表，必須保證樣品與圓盤C的底部和散熱鋁盤A的上表面密切接觸。 要根據(jù)實驗時的具體情況，調(diào)整設(shè)定溫度。一般設(shè)定溫度在60到70之間。 撤去樣品盤后，若散熱盤的溫度上升不到或溫度上升太慢，可適當增加設(shè)定溫度(如)，但最好等到散熱盤溫度基本不變后，再移去加熱盤。 防止燙傷！【分析思考】1 什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實驗達到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)？答穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱”全稱“穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱”，亦稱“穩(wěn)定導(dǎo)熱”。物體內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。穩(wěn)態(tài)時，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩(wěn)定值。實驗中根據(jù)樣品上下表面的溫度（即加熱盤和散熱盤的溫度）連續(xù)10min內(nèi)保持不變，判斷實驗達到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。 2 什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者在穩(wěn)態(tài)測量時有什么內(nèi)在聯(lián)系？答：傳