不良导体导热系数测定.doc

不良导体导热系数测定导热系数（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以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。一、 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不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。二、 实验仪器与用具热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪、物理天平、螺旋测微器、游标卡尺1 热导率测量的实验装置如图1所示接“下盘”内有温度传感器引线加热圆盘C待测材料B散热铝盘A接“上盘”内有加热引线和温度传感器引线图2 YJ-RZ-4A数字智能化热学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s温度设定上盘温度下盘温度测量选择下 盘上 盘加热开关启 动复 位设定温度粗选设定温度细选图三、 实验原理1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier）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，其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，“”号表示热量由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。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，且维持上下平面有稳定的温度（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，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。t0/冷却曲线切线tbT1T2t2t/min图 图实验时，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。因此可以通过测A盘在稳定温度附近的散热速率，得出样品的传热速率。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A盘温度降至比高5时开始计时（计为），并读取此时A盘温度（即5）,以后每隔一分钟测一次温度A盘温度,直到温度比低5为止，记下此时时间（计为）和A盘温度（即-5），然后以时间为横坐标，以A盘温度T为纵坐标，做A的冷却曲线如图4所示，取和的中点,即，找出对应的时刻，过曲线上的点（t, ）做切线，且得出、（如图），则此切线的斜率就是A在时的自然冷却速率，为负表示散热。对于铝盘A，有加热盘C且稳态传热时，其散热的外表面积为，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，设有C盘时的散热速率为，移去C盘时的散热速率为，则有：= （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）因为稳态时通过样品的传热速率等于A盘的散热速率，比较式（5）和（2），便得出导热系数的公式： （6）m、T和T都可以由实验测量出准确值，c为已知常数，且c=0.904J/(g)，因此，只要求出，就可求出导热系数。四、实验步骤（1）建立稳恒态连接好电源线，加热盘引线连实验仪上的“上盘”，下盘传感器引线一端旋接好铝盘，一端接实验仪上的“下盘”，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50.0）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盘温度稳定，此时，C盘可能达不到设定温度，可适当调节“设定温度细选”使C盘温度达到所需的温度（如50.0），这时给C盘设定的温度要高于所需的温度。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，则可认为达到稳恒态。记下此时的C和A的温度（即“上盘温度”）和（即“下盘温度”）。时间测量方法：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时的自然冷却速率在读取稳态时的和之后，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，这时关闭加热开关，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），“测量选择”开关拨向“下盘温度”档，当温度为（即5）时，按下“启动”钮，记时0，以后每隔一分钟记下相应的温度值，直至温度为（即-5），由数据作出A的冷却曲线，求出A盘在附近的冷却速率。 （3）用物理天平称量A盘的质量m，用螺旋测微器测量A盘的厚度，以及待测板B的厚度，用游标卡尺测出A盘的直径2，以及待测板B的直径2。 （4）根据式（6）求出待测材料的导热系数。五、数据记录及处理 1、测量参量测量次数平均值12322 则： m m 2、记下达到稳恒态时，C和A的温度（即“上盘温度”）和（即“下盘温度”）/3、记下对应时间的温度值。t /minT /0(按实际情况添加行)(按实际情况添加行)4、作出A的冷却曲线，得出、，求出A在时的自然冷却速率/t/min