不良導體的熱導系數(shù)的測量

1、不良導體的熱導系數(shù)的測量實驗簡介 材料的導熱系數(shù)是反映材料熱性能的物理量，導熱機理在很大程度上取決與它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移。導熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、 壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。 測量導熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是動態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時，先用熱源對測試樣品進行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分析，然后進行測量。而在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如按周期性變化等。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法進行測量。實驗目的 了解熱傳導現(xiàn)象的物理過程，學習用穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導體的

2、導熱系數(shù)并用作圖法求冷卻速率。實驗儀器待測橡皮墊、黃銅板、加熱銅質(zhì)圓盤（帶隔熱層）、紅外燈、熱電偶、杜瓦瓶、冰水混合物、0250V變壓器、秒表、游標卡尺等實驗原理1， 導熱系數(shù) 當物體內(nèi)存在溫度梯度時，熱量從高溫流向低溫，謂之熱傳導或傳熱，傳熱速率正比于溫度梯度以及垂直于溫度梯度的面積，比例系數(shù)為熱導系數(shù)或?qū)崧剩?（1）2， 不良導體導熱系數(shù)的測量厚度為、截面面積為的平板形樣品（橡膠板）夾在加熱圓盤和黃銅盤之間。熱量由加熱盤傳入。加熱盤和黃銅盤上各有一小孔，熱電偶可插入孔內(nèi)測量溫度，兩面高低溫度恒定為T1 和T2時，傳熱速率為 （2） 圖 1圖 2由于傳熱速率很難測量，但當T1 和T2穩(wěn)定時

3、，傳入橡膠板的熱量應等于它向周圍的散熱量。 這時移去橡膠板，使加熱盤與銅盤直接接觸，將銅盤加熱到高于T2約10度，然后再移去加熱盤，讓黃銅盤全表面自由放熱。每隔30秒記錄銅盤的溫度，一直到其溫度低于T2，據(jù)此求出銅盤在T2附近的冷卻速率。銅盤在穩(wěn)態(tài)傳熱時，通過其下表面和側(cè)面對外放熱；而移去加熱盤和橡膠板后是通過上下表面以及側(cè)面放熱。物體的散熱速率應與它們的散熱面積成正比， （3）式中為盤自由散熱速率。而對于溫度均勻的物體，有 （4）這樣，就有 （5）結(jié)合（2）式，可以求出導熱系數(shù)： (6)m銅、hB、RB、hA、T1、T2都可以由實驗測量出準確值，而黃銅盤的比熱容為0.3709 kJ/kg&#

4、215;K。實驗內(nèi)容1 觀察和認識傳熱現(xiàn)象、過程及規(guī)律（1） 用卡尺測量黃銅盤A和待測橡膠盤B的厚度和直徑，要求多次測量，并求出平均值和不確定度。 A盤的質(zhì)量為已知。（2） 連接好儀器，將熱電偶插入A盤和加熱筒底部側(cè)面的小孔內(nèi)，熱電偶的冷端置于保溫瓶的冰水混合物中。（3） 接通調(diào)壓器電源，緩慢升高電壓，使紅外燈電壓逐漸升高到200V左右，待加熱筒的溫度升到80度左右時，降低電壓到125V左右，然后每隔一段時間讀一次T1和T2的溫度值，直到二者的示值在10分鐘內(nèi)基本保持不變，則可以認為達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下這時的T1和T2值，隨后移去橡膠盤，讓黃銅A盤和傳熱筒的底部直接接觸，加熱A盤使其溫度比T2高

5、約10°C左右，把調(diào)壓器的電壓降到零，斷開電源，移去傳熱筒，讓A盤在空氣中自然冷卻，每隔30秒記一次溫度值，選擇最接近T2前后的各6個數(shù)據(jù)。2 用逐差法求出黃銅盤A的冷卻速率，并由公式（6）求出樣品的導熱系數(shù)l 。3 繪出Tt關系圖，用作圖法求出冷卻速率。4 用方程回歸法進行線性擬合，求解冷卻速率及其誤差，將結(jié)果代入式（6）,計算樣品的導熱系數(shù)l 及其不確定度Ul。注意事項(1)使用前將加熱銅板A與散熱銅板B擦干凈，樣品兩端面擦干凈后，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。(2)實驗過程中，如需觸及電熱板，應先關閉電源，以免燙傷。(3)實驗結(jié)束后，應切斷電源，妥為放置測量樣品，不要使樣品兩

6、端面劃傷而影響實驗的正確性。實驗重點與難點系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的確定，合適與否決定了測量結(jié)果的準確性；盡量減少實驗中產(chǎn)生誤差的因素。思考題傅立葉定律是不易測準的量，本實驗如何巧妙地避開了這一問題？附錄 直流電位差計測熱電偶溫差電動熱一、熱電偶測溫原理熱電亦稱溫差電偶，是由A、B兩種不同材料的金屬絲的端點彼此緊密接觸而組成的。當兩個接點處于不同溫度時（如圖3），在回路中就有直流電動勢產(chǎn)生，該電動熱稱溫差電動勢或熱電動勢。當組成勢電偶的材料一定時，溫差電動勢Ex僅與兩點接點處的溫度有關，并且兩點的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關系式： 式中a稱為溫差電系數(shù)，對于不同金屬組成的熱電偶，a是不同的，其數(shù)值上

7、等于兩接點溫度差為1°C時所產(chǎn)生的電動勢。圖4圖3為了測量溫差電動勢，就需要在圖3的回路中接入電位差計，但測量儀器的引入不能影響熱電偶原來的性質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差下應有的電動勢EX值。要做到這一點，實驗時應保證一定的條件。根據(jù)伏打定律，即在A、B兩種金屬之間插入第三種金屬C時，若它與A、B的兩連接點處于同一溫度t0（圖4），則該閉合回路的溫差電動勢與上述只有A、B兩種金屬組成回路時的數(shù)值完全相同。所以，我們把A、B兩根不同化學成份的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端（工作端）。將另兩端各與銅引線（即第三種金屬C）焊接，構(gòu)成兩個同溫度（t0）的冷端（自由端）。銅引線與電位差計相連，這樣就組成一個熱電偶溫度計。通常將冷端置于冰水混合物中，保持t0=0°C，將熱端置于