熱導(dǎo)率的測量

1、1 大學(xué)物理實驗大學(xué)物理實驗2實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容基本要求基本要求簡介簡介實驗原理實驗原理3 ：描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的一個物理量。描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的一個物理量。簡簡 介介 在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中對材料的熱導(dǎo)率常用實驗的在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中對材料的熱導(dǎo)率常用實驗的方法測定。大體上分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。本實驗采用方法測定。大體上分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。本實驗采用穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)法法測量測量不良導(dǎo)體不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率。 通過實驗掌握用穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的方法通過實驗掌握用穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的方法,體體會使用參量轉(zhuǎn)換法的設(shè)計思想，掌握用熱點偶測量溫度的會使用參量轉(zhuǎn)換法的設(shè)計思想，掌握用熱點偶測量溫度的

2、方法。方法。一一 熱熱傳導(dǎo)遵循的基本規(guī)律傳導(dǎo)遵循的基本規(guī)律傅立葉定律：傅立葉定律： 傳熱速率Q/t 與該平面所在處的溫度梯度成正比，與平面面積S 成正比。0ddxQTStx 熱傳導(dǎo) 注：該公式穩(wěn)態(tài)法測量樣品熱導(dǎo)率的原理公式注：該公式穩(wěn)態(tài)法測量樣品熱導(dǎo)率的原理公式5二二 穩(wěn)態(tài)法測不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率：穩(wěn)態(tài)法測不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率：原理公式：原理公式： 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：經(jīng)一段時間后，如果在樣品的傳熱方向各截面經(jīng)一段時間后，如果在樣品的傳熱方向各截面的傳熱速率的傳熱速率Q/t相同，那么樣品內(nèi)部將形成一個相同，那么樣品內(nèi)部將形成一個穩(wěn)定的溫度分布狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時樣品上下溫度將各自停留在某個溫度。傳熱速率Q/t 和溫度梯

3、度（dT/dt）是一個確定的值。0ddxQTStx 關(guān)鍵關(guān)鍵是使樣品內(nèi)部形成是使樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)。APBTTQSth 6 找穩(wěn)態(tài)找穩(wěn)態(tài)？接通電源，打開主機底部小風(fēng)扇，接通電源，打開主機底部小風(fēng)扇，形成穩(wěn)定的散熱環(huán)境，將加熱盤供電電形成穩(wěn)定的散熱環(huán)境，將加熱盤供電電壓調(diào)到壓調(diào)到220V，加熱，加熱10分鐘，將加熱盤供分鐘，將加熱盤供電電壓調(diào)到電電壓調(diào)到110V，然后，然后5分鐘記錄一組樣分鐘記錄一組樣品上下表面溫度，若在品上下表面溫度，若在10分鐘內(nèi)，樣品分鐘內(nèi)，樣品上下表面溫度不變，則樣品達(dá)到穩(wěn)態(tài)，上下表面溫度不變，則樣品達(dá)到穩(wěn)態(tài)，記錄（記錄（TA，TP ）。7熱電偶測

4、溫原理：熱電偶測溫原理： 熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的測溫元件，它是由兩種不同的金屬焊接而成的回路。當(dāng)兩接點a、b的溫度不同時，在閉合回路中會產(chǎn)生電動勢，該電動勢稱為溫差電動勢 。 熱電偶測溫原理圖0 TT實驗采用銅康銅熱電偶， =4.2mv/100 怎樣測溫怎樣測溫度？度？8l驗三驗三熱導(dǎo)率和對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)的測量l【預(yù)習(xí)思考題預(yù)習(xí)思考題】l1熱導(dǎo)率的物理意義是什么熱導(dǎo)率的物理意義是什么？對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)是什么？l熱導(dǎo)率的物理意義為：當(dāng)相距單位長度的兩個平行平面間的溫度相差一個單位時，在單位時間內(nèi)通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。對流對流傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)是在對流傳熱條件下，單位時間內(nèi)

5、經(jīng)對流方式從表面S傳出的熱量與溫度差T1T2和表面積S的比例。l2如果用本實驗裝置測定良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率，樣品的形狀應(yīng)有何改變？為什么？l若要測量良導(dǎo)體樣品，則樣品需做成截面積比較小而傳熱方向上的長度較大的細(xì)長形狀。因為良導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，樣品只有做的比較長才能在其兩端產(chǎn)生比較明顯、易于測量的溫差，而做的比較細(xì)是為了盡可能減小側(cè)面散熱的影響。l3用式（5.3-6）或式（5.3-14）測熱導(dǎo)率要求哪些實驗條件，在實驗中如何保證？l需要熱電偶的冷端保持溫度恒定，實驗中采用冰水混合物來保證熱電偶的冷端保持0；需要盡可能減小樣品側(cè)面散熱的影響，因此將樣品做成薄圓盤狀；需要樣品的上、下表面各自溫度均勻且易于

6、測量，實驗中加熱盤和散熱盤均為金屬盤且各自與樣品的上、下表面分別密切接觸；需要易于散熱，實驗中采用風(fēng)扇對散熱盤吹風(fēng)來保證；等等。l【分析討論題分析討論題】l1為什么能將數(shù)字電壓表的示值當(dāng)作溫度值直接代入式（5.3-6）或式（5.3-14）中計算熱導(dǎo)率？l因為熱電偶冷端溫度為0，所以通過熱電偶測得的電壓。所以有，而這就是式（5.3-6）中所包含的全部和溫度相關(guān)的項。由此可見可以將數(shù)字電壓表的電壓示值當(dāng)作溫度值直接代入式（5.3-6）中進(jìn)行計算。l2對環(huán)境溫度的測量為什么要在實驗的最后一步而不是在較靠前的步驟進(jìn)行？l理論上對環(huán)境溫度是先測量還是后測量都是一樣的，但是從實際情況分析還是后測量比較準(zhǔn)確

7、，這是從減小實驗誤差的角度考慮的。實驗進(jìn)行前，由于還沒有進(jìn)行實驗，實驗過程中的散熱也沒有影響，因而實驗前的環(huán)境溫度與實驗后相比必然有一定程度的偏低。而實驗中對散熱過程的測量是在實驗靠后的步驟進(jìn)行的，此時實驗過程中的散熱必然已經(jīng)使環(huán)境溫度有一定程度的變化，因此最后測量環(huán)境溫度，測得的結(jié)果更接近散熱過程測量所需的環(huán)境溫度。因此，對環(huán)境溫度的測量放在了實驗的最后一步進(jìn)行。9 穩(wěn)態(tài)時樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，加熱盤給樣品加熱多少熱量，就有多少熱量通過散熱盤散出。 穩(wěn)態(tài)時樣品的傳熱速率穩(wěn)態(tài)時樣品的傳熱速率 = 穩(wěn)態(tài)時散熱盤散熱速率穩(wěn)態(tài)時散熱盤散熱速率 注意：注意：穩(wěn)態(tài)時散熱盤溫度為TP ，且只有下表面

8、和側(cè)面下表面和側(cè)面參與散熱。APBTTQSth 10散熱盤P P的冷卻曲線圖 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將樣品取下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將樣品取下，讓加熱盤讓加熱盤 A 與散熱盤與散熱盤P 直接接直接接觸，給散熱盤加熱。當(dāng)散熱盤觸，給散熱盤加熱。當(dāng)散熱盤P的溫度比的溫度比高出若干度后，高出若干度后，移走加熱盤移走加熱盤A。散熱盤。散熱盤P向周圍向周圍散熱，在散熱盤散熱的過程中，散熱，在散熱盤散熱的過程中，每每秒秒記錄一次散熱盤溫度，記錄一次散熱盤溫度，測得散熱盤溫度隨時間變化的測得散熱盤溫度隨時間變化的一組數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)組繪制一組數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)組繪制冷卻曲線。冷卻曲線。PPTTQTmctt 0.8mV 0.mV

9、11 所有面所有面參與散熱的散熱盤P的散熱速率與其冷卻速率的關(guān)系為： 部分面部分面參與散熱的散熱盤P的散熱速率與其冷卻速率的關(guān)系為：不良導(dǎo)體 B 的熱導(dǎo)率為：2PPTTSSQTmcttSS側(cè)側(cè)PPTTQTmctt24122PpBTpAPDhhTmctDh TT D121 1調(diào)整儀器裝置；調(diào)整儀器裝置；2 2控制實驗條件以使樣品盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，控制實驗條件以使樣品盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，記錄此時加熱盤和散熱盤溫度；記錄此時加熱盤和散熱盤溫度；3 3測量散熱盤的散熱過程，測量散熱盤的散熱過程，記錄散熱盤溫度記錄散熱盤溫度 隨時間變化的一組數(shù)據(jù)。隨時間變化的一組數(shù)據(jù)。13F電壓表使用前要調(diào)零。電壓表使用前要調(diào)零。F測量散熱盤散熱過程前取出樣品時，應(yīng)先切測量散熱盤散熱過程前取出樣品時，應(yīng)先切斷電源并注意防止?fàn)C傷。斷電源并注意防止?fàn)C傷。F做完實驗要整理好實驗臺，關(guān)掉所有電源。做完實驗要整理好實驗臺，關(guān)掉所有電源。14一、數(shù)據(jù)記錄一、數(shù)據(jù)記錄樣品尺寸（見實驗臺標(biāo)簽）樣品尺寸（見實驗臺標(biāo)簽）穩(wěn)態(tài)時加熱盤穩(wěn)態(tài)時加熱盤 TA=_，散熱盤，散熱盤 TP=_散