导热系数测量教案.doc

课 题 导热系数的测量1用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较；教 学 目 的 2学习用热电偶进行温度测量。重 难 点 1稳态法的理解；2导热系数测定仪的正确使用。教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。学 时 3个学时一、前言 材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类是动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分析，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。二、实验仪器实验采用TC-3型导热系数测定仪。该仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘旋和热散圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待测样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。热端分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。冷、热端插入时，涂少量的硅脂，热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内。利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势，温差电动势采用量程为20mV的数字式电压表测量，再根据附录的铜一康铜分度表转换成对应的温度值。仪器设置了数字计时装置，计时范围166mim，分辨率1S，供实验时计时用。仪器还设置了PID自动温度控制装置，控制精度1C，分辨率为0.1C，供实验时加热温度控制用.三、实验原理 根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为L、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1T2），若平面面积均为S，在Dt时间内通过面积S的热量DQ满足下述表达式： （1）式中为热流量，g 即为该物的热导率（又称作导热系数），g 在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是。本实验仪器如图1所示：图1 稳态法测定导热系数实验装置图在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待测样品B（圆盘形的不良导体），再把带发热的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，由于A、P盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2、分别由插入A、P盘边缘小孔热电偶E来测量，热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G，切换A、P盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为 （2）式中RB为样品的半径，h3为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P在稳定温度T2时的散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的T1和T2后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘P直接接触。当盘P的温度上升到高于稳定时的T值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却。观察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在T2的冷却速率（m为紫铜盘P的质量， C为铜材的比热容），就是紫铜盘P在温度为T2时的散热速率。但要注意，这样求出是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为（其中RP与hP分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传热时，P盘的上表面（面积为）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正： （3）将式（3）代入式（2），得：（4）四、实验内容与步骤在测量导热系数前应先对散热盘P和等测样品的直径、厚度进行测量。1用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。2用游标卡尺测量散热盘P的直径和厚度，测5次，按平均值计算P盘的质量。也可直接用天平称出P盘的质量。一、不良导体导热系数的测量1实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片）放在散热盘P上面，然后发热盘A放在样品盘B上方，并用固定螺母固定在机架上，再调节三个螺旋头，使样品盘的上下两个表面与发热盘和散热盘紧密接触。2在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端（黑色）插入杜瓦瓶中。将热电偶的热端（红色）分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将其插入加热盘A和散热盘P的热电偶接线连接到仪器面板的传感器I、II上。3接通电源，将加热选择开关由“断”打向“高”档，当打向“高”档时，加温速度最快。当传感器I的温度读数VT1为4.2mV，可将开关打向 “低”档，降低加热电压。4待传感器I、II的读数不再上升（约需40分钟）时，说明已达到稳态，每隔5分钟记录VT1和VT2的值。5测量散热盘在稳态值T2附近的散热速率（）。移开铜盘A，取下橡胶盘，并使铜盘A的底面与铜盘P直接接触，当P盘的温度上升到高于稳定态的VT2值若干度（0.2mV左右）后，再将铜盘A移开，让铜盘P自然冷却，每隔30秒（或自定）记录此时的T2值。根据测量值计算出散热速度。二、金属导热系数的测量1将圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发热圆盘与散热圆盘之间。2当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，T1、T2值为金属样品上下两个面的温度此时散热盘P的温度为T3。因此测量P盘的冷却速度为：由此得到导热系数为测T3值时可在T1、T2达到稳定时，将插在发热圆盘与散热圆盘中的热电偶取出，分别插入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。三、当测量空气的导热系数时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为h，并用塞尺进行测量（即塞尺厚度），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。五、数据表格及数据处理1 实验数据记录（铜的比热c=0.09097calg-1C-1，比重8.9g/cm3）散热盘P：质量m= （g） 半径 Rp= (cm)12345Dp (cm)hp (cm)橡胶盘：半径Rb= (cm)12345DB（cm）hB (cm)稳态时T1、T2的值（转换见附录1的分度表）T1= T2=12345V （mV）V （mV）散热速率时间（秒）306090120150180210240（mV）根据实验结果，计算出不良导热体的导热系数（导热系数单位换算： ）并求出相对误差。 六、注意事项(1)使用前将加热铜板A与散热铜板B擦干净，样品两端面擦干净后，可涂上少量硅油，以保证接触良好。(2)实验过程中，如需触及电热板，应先关闭电源，以免烫伤。(3)实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验的正确性。【思考题】(1)散热盘下方的轴流式风机起什么作用？若它不工作时实验能否进行？(2)本实验对环境条件有些什么要求？室温对实验结果有没有影响？(3)试定量估计用温差电动势代替温度所带来的误差。 (4)分析本实验的主要误差附录1 铜康热电偶分度表温度（）热电势012345678900000003900780117015601950234027303120351100391043004700510054905890629066907090744200，7890，8300870091109500992103210731114115530119612371279132013611403144414861528156940161116531695173817801882186519071950199250203520782121216422072250229423372380242460246725112555259926432687273127752819286470290829532997304230873131317632213266331280335734023447349335383584363036763721376790381338593906395239984044409141374184423110042774324437444184465451245594607465447011104749479648444891493949875035508351315179附录2 直流电位差计测热电偶温差电动热一、热电偶测温原理热电亦称温差电偶，是由A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时（如图2），在回路中就有直流电动势产生，该电动热称温差电动势或热电动势。当组成势电偶的材料一定时，温差电动势Ex仅与两点接点处的温度有关，并且两点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式： 式中a称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶，a是不同的，其数值上等于两接点温度差为1C时所产生的电动势。图3图2为了测量温差电动势，就需要在图2的回路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响热电偶原来的性质，例如不影响它在一定的温差下应有的电动势EX值。要做到这一点，实验时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在A、B两种金属之间插入第三种金属C时，若它与A、B的两连接点处于同一温度t0（图3），则该闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的数值完全相同。所以，我们把A、B两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起，构成热电偶的热端（工作端）。将另两