導熱系數的測定

導熱系數的測定一、實驗目的1.學習測定不良導體導熱系數的原理和方法。2.測量樣品的導熱系數。二、實驗儀器實驗臺，溫度傳感器，數字溫度計模塊，導熱系數實驗對象。三、實驗原理1.熱傳導定律當物體內部各處的溫度不均勻時，就會有熱量從溫度較高處傳遞到溫度較低處，這種現象叫熱傳導現象。早在年著名物理學家傅立葉就提出了熱傳導的定律：若在垂直于熱傳導方向上作一截面，以表示處的溫度梯度，那么在時間內通過截面積所傳遞的熱量△Q為：（7-1）式（7-1）中為傳熱速率，負號代表熱量傳遞方向是從高溫區(qū)傳至低溫處，與溫度梯度方向相反。比例系數稱為導熱系數，其值等于相距單位長度的兩平面的溫度相差為一個單位時，在單位時間內通過單位面積所傳遞的熱量，單位為：。2.穩(wěn)態(tài)法測傳熱速率測定樣品導熱系數的實驗裝置如圖1所示。圖中待測樣品（圓盤）半徑，厚度，樣品上表面與加熱盤（位于上方的黃銅盤）的下表面接觸，溫度為，加熱盤由內部電熱絲供熱，熱量由加熱盤通過樣品上表面?zhèn)魅霕悠罚購臉悠废卤砻媾c散熱盤（位于樣品下面的黃銅盤）的上表面相接，溫度為，即樣品中的熱量通過下表面向散熱盤散發(fā)。樣品上下表面溫度可以認為是均勻分布，在不很大情況下可忽略樣品側面散熱的影響，則式（7-1）改寫為：（7-2）式（7-2）中為樣品橫截面積。當、穩(wěn)定時，傳熱也達到穩(wěn)定，即通過待測樣品的傳熱率和黃銅盤向側面和下面的散熱率相同。（7-3）式（7-3）中、是傳熱穩(wěn)定時的樣品上下表面溫度，是樣品的傳熱速率，是黃銅盤散熱率。圖1導熱系數實驗對象結構圖那么式（7-2）可表示為：（7-4）由（7-4）式可見關鍵是求黃銅盤散熱率。為此，當測出穩(wěn)態(tài)時樣品上下表面的溫度和之后，拿走樣品，讓加熱盤下表面直接與散熱盤上表面接觸，加熱下黃銅盤使溫度上升到高于若干度后再拿去上黃銅盤，讓下黃銅盤自然冷卻，直接向周圍散熱。下黃銅盤在附近的冷卻速率為：黃銅盤的散熱率與其冷卻速率的關系為:（7-5）式(7-5)中是黃銅質量，是黃銅比熱（）。在樣品傳熱過程中，只考慮下黃銅盤的下表面和側面散熱。但在測冷卻速率時，黃銅盤上表面也暴露在外，實際是黃銅盤的上、下表面和側面都在散熱。由于物體冷卻速率與它的表面積成正比關系，修正(16-5)式，可得：=（7-6）式（7-6）中、分別為散熱黃銅盤半徑和厚度。將式（7-6）代入式（16-4）并整理得待測樣品導熱系數為：（7-7）四、實驗步驟1.用游標卡尺測量待測樣品盤的半徑和厚度，散熱黃銅盤的半徑和厚度。參考值為，，。2.用天平測量散熱黃銅盤的質量，參考值為。3.安裝實驗裝置,注意此過程應在關閉電源的情況下進行。按圖1所示將散熱黃銅盤小心安裝在實驗對象的固定支架上，將測溫孔朝向正面。然后將待測樣品盤、加熱黃銅盤依次放在上面，將加熱電源插孔朝向反面，且三盤上下對齊，此時不要安裝加熱盤提手。最后將加熱盤和散熱盤分別插入加熱黃銅盤和散熱黃銅盤測溫孔，注意金屬部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否則影響測溫精度。將加熱電源線通過加熱電源插孔與加熱黃銅盤連接好，然后將加熱電源線與面板上插座連接好，注意此連接過程順序不能顛倒。4.加熱盤溫度控制參數設置。注意加熱盤溫度設定值不得高于。實驗時可測定待測樣品在溫度范圍內的導熱系數。接通實驗對象的電源，并將智能溫度調節(jié)器上電，將加熱盤溫度設定在溫度范圍內某一溫度值，即測定待測樣品在該溫度下的導熱系數。具體操作詳見智能溫度調節(jié)器使用說明書。5.加熱盤加熱及溫度測控。將加熱打開，風扇關閉，此時“加熱指示”燈亮。在整個加熱及溫度控制過程中加熱指示燈亮度會隨著加熱快慢而變化。注意實驗應在室內溫度基本穩(wěn)定及無風的條件下進行，否則將影響控溫效果。當加熱盤溫度控制在設定溫度范圍內時，若加熱盤溫度和散熱盤溫度在分鐘后仍保持穩(wěn)定，可認為傳熱達到穩(wěn)定。記錄此時加熱盤溫度和散熱盤溫度。6.測定散熱盤散熱率。安裝加熱盤提手，將加熱盤小心提起，用鑷子將待測樣品移去，然后將加熱盤直接放在散熱盤上，取下加熱盤提手，給散熱盤加熱，使散熱盤溫度高于大約，然后關閉加熱,安裝加熱盤提手，小心移去加熱盤，使散熱盤在空氣中自然冷卻。冷卻過程中每隔讀一次散熱盤溫度，一直讀到低于大約。將實驗所得數據記錄在表1中。7.改變加熱盤溫度設定值，可設定，重復實驗步驟5、6，測定樣品在不同溫度下導熱系數。為節(jié)約實驗時間，設定加熱盤溫度時應從低溫到高溫設定。8.改變待測樣品，重復以上實驗步驟，測定不同樣品的導熱系數。9.實驗完畢，將風扇打開，“風冷指示”燈亮，使散熱盤加速冷卻，直到散熱盤溫度降至室溫。表1散熱盤散熱率實驗數據10．整理實驗儀器。注意此過程應在關閉電源的情況下進行。將加熱電源線與實驗臺上的插座分開，然后將加熱電源線與加熱黃銅盤分開，注意此分開過程順序不能顛倒。取下加熱盤和散熱盤并放回。整理待測樣品盤、加熱黃銅盤和散熱黃銅盤。五、實驗報告1.根據表1所記錄實驗數據，選擇附近10組數據，用逐差法處理實驗數據，計算散熱盤冷卻速率。具體方法參考如下，設附近10組數據為（n=1，2，3，…，10），則：。2.將散熱盤冷卻速率代入式（7-7），計算待測樣品導熱系數。3.測定樣品在不同溫度下的導熱系數，比較不同溫度下同一樣品導熱系數大小，分析導熱系數與溫度的關系。4．測定不同樣品的導熱系數，比較不同樣品導熱系數的大小，分析不同樣品的導熱性能。六、注意事項1.加熱盤溫度設定值不得高于，實驗時應隨時觀察加熱盤溫度變化。2.實驗裝置溫度較高，實驗過程中不要觸摸高溫盤，以防燙傷。3.智能溫度調節(jié)器出廠前各參數均設置好，實驗時可以修改加熱盤溫度設定值，修改其