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一种非良导体热导率的测量【实验目的】 了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量非良导体的导热系数并用作图法冷却速率。导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则已晶格振动起主导作用。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。【实验仪器】热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪DSC (差示量热扫描)：-150-700TGA (热重分析)：室温-1000DTA（差热分析）：室温-16001 热导率测量的实验装置如图1所示图2 YJ-RZ-4A数字智能化热血综合实验仪的面板如图2所示YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪温度设定上盘温度下盘温度s设定温度粗选测量选择远景仪器设定温度细选复 位启 动加热开关上 盘下 盘 图【实验原理】1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。傅立叶指出，在dt时间内通过ds面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，起比例系数是导热系数，即： （1）式中为传热速率，是与面积ds相垂直的方向上的温度梯度，“”号表示热量从高温区域传向低温区域，是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI中的单位是w。对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。如图3所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为 = （2）式中为样品厚度，=为上表面的面积，（）为上、下表面的温度差，为导热系数。在实验中，要降低侧面散热的影响，就要减小h。因为待测平板上下表面的温度是用加热圆盘C的底部和散热铝盘A的温度来代表，所以就必须保证样品与圆盘C的底部和铝盘A的上表面密切接触。实验时，在稳定导热的条件下（值恒定不变），可以认为通过待测样品B盘的传热速率与铝盘A向周围环境散热的速率相等。因此可以通过A盘在稳定温度附近的散热速率，求出样品的传热速率。bb22aattt分图图在读取稳态时的之后，拿走样品B，让A盘直接与加热盘C底部的下表面接触，加热铝盘A，使A盘温度上升到比高6左右，再移去加热盘C，让铝盘A通过外表面直接向环境散热（自然冷却），当T降至比高5时止，然后以时间为横坐标，以T为纵坐标，做A的冷却曲线如图4所示，过曲线上的点（t, T）做切线，则次切线的率就是A在的自然冷却速率=。对于铝盘A，在稳态传热时，起散热的外表面积为，移去加热盘C后，A盘的散热外表面积为2+=（R+）,考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例，所以有 = （3）式中R和分别为A盘的半径和厚度。根据热容的定义，对温度均匀的物体，有 =mc (4)对应铝盘A，就有=mc, m和c分别为A盘的质量和比热容，将此式代入（3）中，有 = mc （5）比较式（5）和（2），便得出导热系数和公式： （6）m、c、R、T和T都可以由实验测量出准确值，c为已知常数，c=0.904J/(g),因此，只要求出，就可求出导热系数。【实验内容和步骤】（1）建立稳恒态如图1、图2所示，安装好实验装置，连接好电缆线，打开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，选择设定C盘加热为所需的温度（如80）值。将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察C盘温度的变化，直至C盘稳定恒定在设定温度（如80）。再将“测量选择开关拨向“下盘温度”档，观察A的温度变化，若每分钟的变化 T0.1，则可认为达到稳恒态。记下此时的A和C的温度T和T。时间测量：按动“启动”钮一下，即开始计时；再按动“启动”钮一下即暂停计时；按动“复位”钮，即归零。 （2）测A盘在T时的自然冷却速度 在读取稳态时的T和T之后，拿走样品B，让A盘直接与加热盘C底部的下表面接触，加热铝盘A，使A盘温度上升到比T高6左右，再移去加热盘C，关闭加热开关，“测量选择”开关拨向“下盘温度”档，让铝盘A通过外表面直接向环境散热（自然冷却），每隔一分钟记下相应的温度值，作出A的冷却曲线，求出A盘在T附近的冷却速率。 （3）用游标卡尺测出待测板B的厚度h,以及A的直径2R和厚度，记下A盘的质量m。 （4）根据式（6）求出待测材料的导热系数。T T hR h R m 表一t0 12345n