華科大大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)_穩(wěn)態(tài)法測固體的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)

1、1科技樓科技樓120陳勁陳勁 預(yù)備問題預(yù)備問題 1.什么叫穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)（簡稱穩(wěn)態(tài)）？如何判定實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)？2.待測樣品盤是厚一點(diǎn)好，還是薄一點(diǎn)好？為什么？3.如何根據(jù)冷卻曲線求出溫度T2附近的冷卻速率？ 熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的三種基本形式之一，是指物體各部分之間不發(fā)生相對宏觀位移情況下由于溫差引起的熱量的傳遞過程，其微觀機(jī)制是熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動(dòng)以及自由電子的遷移。在金屬中自由電子起支配作用，在絕緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象廣泛存在，如房屋的墻壁時(shí)刻進(jìn)行熱傳導(dǎo)過程，水杯壁、衣服、鍋爐、過熱器、冷凝器，熱力管道，航天器隔熱瓦、電子芯片散熱片

2、等等都存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。 法國科學(xué)家傅里葉（J.B.J.Fourier 17861830）根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到熱傳導(dǎo)基 本關(guān)系，1822年在其著作熱的解析理論 中詳細(xì)的提出了熱傳導(dǎo)基本定律，指出 導(dǎo)熱熱流密度（單位時(shí)間通過單位面積的熱量）和溫度梯度成正比關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 此即傅里葉熱傳導(dǎo)定律，其中 為熱流密度矢量（表示沿溫度降低方向單位時(shí)間通過單位面積的熱量）， 是導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是表征物體傳導(dǎo)熱能力的物理量， 在數(shù)值上等于每單位長度溫度降低 一個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是W/(m K )。4傅里葉傅里葉)(Tgradq 某種物體的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成物體的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而

3、且還與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力、濕度及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，需要了解所用物體的一些熱物理性質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)就是重要指標(biāo)之一，常常需要用實(shí)驗(yàn)的方法來精確測定。 一般說來，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大；固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。根據(jù)國標(biāo)GB427292規(guī)定，平均溫度不高于 時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(mK)的材料才能稱為保溫材料。導(dǎo)熱系數(shù)小于 的材料稱為超級保溫材料。 5C350散熱片散熱片泡沫隔熱板泡沫隔熱板)/(1034KmW 測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法分測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法分穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法和和非穩(wěn)態(tài)法非穩(wěn)態(tài)法兩大類兩大類 穩(wěn)態(tài)法是在加熱和散熱達(dá)到平衡狀態(tài)、樣品內(nèi)部形

4、成穩(wěn)定溫度分布的條件下進(jìn)行測量的方法。 非穩(wěn)態(tài)法則是在測量過程中樣品內(nèi)部的溫度分布隨時(shí)間是變化的，測出這種變化，得到熱擴(kuò)散率再利用物體已知的密度和比熱，求得導(dǎo)熱系數(shù)。 測量導(dǎo)熱系數(shù)方法很多，沒有哪一種測量方法適用于所有的情形，對于特定的應(yīng)用場合，也并非所有方法都能適用。要得到準(zhǔn)確的測量值，必須基于物體的導(dǎo)熱系數(shù)范圍和樣品特征，選擇正確的測量方法。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)平板法測量物體的導(dǎo)熱系數(shù)，該法設(shè)計(jì)思路清晰、簡捷，具有典型性和實(shí)用性。6實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過程。 2了解物體散熱速率和傳熱速率的關(guān)系。 3學(xué)會(huì)用鉑電阻型傳感器測定溫度。 4學(xué)習(xí)一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)原理

5、實(shí)驗(yàn)原理BBhTTStQ)(21穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律有：有：導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（1）9熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)樣品盤樣品盤B的熱流量的熱流量=散熱黃銅盤散熱黃銅盤C的散熱速率的散熱速率散熱穩(wěn)態(tài)CtQtQB 即有:（2）物體的散熱速率與冷卻速率之間的關(guān)系物體的散熱速率與冷卻速率之間的關(guān)系（3）m 是散熱黃銅的質(zhì)量，是散熱黃銅的質(zhì)量，c 是黃銅比熱容。是黃銅比熱容。 考慮到散熱盤C的上表面是被樣品盤B覆蓋著，通過樣品盤B的熱流量應(yīng)和散熱黃銅盤散熱黃銅盤C向側(cè)面和下面的散熱速率相同，修正（3）式

6、，即有：單獨(dú)測量單獨(dú)測量2TTCtTmctQ散熱CCCCCCTTChRRhRRtTtQ222cm222散熱(4)11 2211222BCCBCCRTThRhhRtTcm由（由（1）、（）、（2）、（）、（4）式得）式得導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)： 測試儀表測試儀表測試架測試架測試儀表測試儀表 13PID智能溫度控制器智能溫度控制器設(shè)定溫度設(shè)定溫度控制器面板布置圖（見圖）：例如需要設(shè)置加熱溫度為60，具體操作步驟如下：1先按設(shè)定鍵SET 0.5秒，進(jìn)入溫度設(shè)置數(shù)。數(shù)字閃爍的位數(shù)即是可以進(jìn)行調(diào)整的位數(shù)。3按上調(diào)鍵或下調(diào)鍵確定這一位數(shù)值，按此辦法，直到各位數(shù)值符合設(shè)定溫度值。4再按設(shè)定鍵SET 1次，設(shè)定工

7、作完成。如需要改變溫度設(shè)置，只要重復(fù)以上步驟就可。14測試架測試架15樣樣 品品環(huán)氧盤環(huán)氧盤硅橡膠盤硅橡膠盤一一、測量、測量散熱盤散熱盤C和待測樣品和待測樣品B的直徑、厚度的直徑、厚度；用游標(biāo)卡尺，分別在不同位置測五組。用游標(biāo)卡尺，分別在不同位置測五組。18二、固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量二、固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量：1連接導(dǎo)線：實(shí)驗(yàn)時(shí)，在儀器機(jī)箱的后部根據(jù)指示牌所指示內(nèi)容（溫度傳感器、加熱電源、風(fēng)扇電源），用三根專用導(dǎo)線與測試支架上的三個(gè)插座連接，兩個(gè)鉑電阻測溫傳感器導(dǎo)線接到測試支架的切換開關(guān)上的插座中，通過切換開關(guān)后與儀器機(jī)箱前面板上左側(cè)的“測溫傳感器”插座相聯(lián)。2安裝待測樣品：在支架上先放上散熱圓銅盤C

8、，再在C的上面放上待測樣品盤B，然后再把帶發(fā)熱器的圓鋁盤A放在盤B上，再調(diào)節(jié)三個(gè)螺栓，使樣品盤的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱鋁盤A和散熱銅盤P密切接觸。將兩個(gè)鉑電阻測溫傳感器分別插入發(fā)熱鋁盤A（上盤）和散熱銅盤C（下盤）上的小孔中。3設(shè)置加溫上限溫度：接通電源，在“溫度控制”儀表上設(shè)置加溫的上限溫度如60（PID 智能溫度控制器的具體操作見附錄），不要超過100。4測量穩(wěn)態(tài)溫度：打開加熱開關(guān)，每隔2分鐘記下散熱銅盤C的溫度，當(dāng)發(fā)熱鋁盤A、散熱銅盤C的溫度不再上升時(shí)（大約需要加熱35分鐘左右），說明系統(tǒng)己達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)每隔 5 分鐘測量并記錄T1和T2的值。5.散熱速率的測量：在讀得穩(wěn)態(tài)時(shí)的T1、T2后，

9、即可將 B 盤移去，而使發(fā)熱鋁盤 A 的底面與散熱銅盤 C 直接接觸。當(dāng) C盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時(shí)的T2值若干攝氏度（例如5左右）后，再將發(fā)熱鋁盤 A 移開，讓散熱銅盤 C 自然冷卻。測量散熱盤的溫度T隨時(shí)間 t 的變化關(guān)系，每隔30秒記錄一次溫度T，直至溫度到T2之下若干攝氏度為止。根據(jù)測量值可以計(jì)算出C盤散熱速率 。6如果還要測量另一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可打開軸流式風(fēng)扇，待散熱盤C的溫度接近室溫后再關(guān)上風(fēng)扇。接下來重復(fù)步驟25即可。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 1. 散熱盤C的有關(guān)物性參數(shù)：銅的比熱C=385J/(kg)，密度=8.9g/cm3 2.根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，計(jì)算散熱盤C穩(wěn)態(tài)時(shí)在T2附近的冷卻速率。計(jì)算出樣品材料的導(dǎo)熱系數(shù)，求出不確定度，并寫出結(jié)果表達(dá)式。 說明：說明：（長度、質(zhì)量