非良导体热导率的测量带试验数据处理

1、本科实验报告（阅）实验名称:非良导体热导率的测量实验11非良导体热导率的测量【实验目的和要求】1. 学习热学实验的基本知识和技能。2. 学习测量非良导体热导率的基本原理的方法。3. 通过做物体冷却曲线和求平衡温度下物体的冷却速度，加深对数据图事法的理 解。【实验原理】热可以从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部 分，这种现象叫做热传递。热传递的方式有三种：传导，对流和辐射。设有一厚度为I、底面积为S的薄圆板，上下两底面的温度T ，T不相等, 且T1>T2，则有热量自上底面传乡下底面（见图 1），其热量可以表示为图1测量样品dT式中，为热流量，代表单位时间里流过薄圆

2、板的热量； 九为薄圆板内热流方向 上的温度梯度，式中的负号表示热流方向与温度梯度的方向相反；：为待测薄圆 板的热导率。如果能保持上下两底面的温度不变（稳恒态）和传热面均匀，则，于是得到关键1.使待测薄圆板中的热传导过程保持为稳恒态。2.测出稳恒态时的。1.建立稳恒态为了实现稳恒态，在试验中将待测薄圆板B置于两个直径与B相同的铝圆柱A,C 之间，且紧密接触，（见图2）。猊度诗碰暮引线将劑材料匕吕衰传感蛊冲线图二测量装置C内有加热用的电阻丝和用作温度传感器的热敏电阻， 前者被用来做热源。首先， 可由EH-3数字化热学实验仪将C内的电阻丝加热，并将其温度稳定在设定的数 值上。B的热导率尽管很小，但并

3、不为零，固有热量通过 B传递给A,使A的温 度Ta逐渐升高。当TA高于周围空气的温度时，A将向四周空气中散发热量。由 于C的温度恒定，随着A的温度升高，一方面通过C通过B流向A的热流速率不 断减小，另一方面A向周围空气中散热的速率则不断增加。 当单位时间内A从B 获得的热量等于它向周围空气中散发的热量时，A的温度就稳定不变了。2.测量稳恒态时的因为流过B的热流速率匚就是A从B获的热量的速率，而稳恒态时流入 A的 热流速率与它散发的热流速率相等， 所以，可以通过测A在稳恒态时散热的热流 速率来测-。当A单独存在时，它在稳恒温度下向周围空气中散热的速率为dQ fdTA、(3)dTA式中，为A的比热

4、容；为A的质量；n二航 t=t2成为在稳恒温度T2时的冷 却速度。A的冷却速度可通过做冷却曲线的方法求得。具体测法是：当A、C已达稳恒态后，记下他们各自的稳恒温度 T2,T1后，再断电并将B移开。使A, C接触数 秒钟，将A的温度上升到比T2高至某一个温度，再移开 C,任A自然冷却，当 TA降到比T2约高ToC)时开始计时读数。以后每隔一分钟测一次TA,直到TA 低于T2约To (C)时止。测的数据后，以时间t为横坐标，以TA为纵坐标做A 的冷却曲线，过曲线上纵坐标为 T2的点做此曲线的切线，则斜率就是 A在TA 的自然冷却速度，即(4)于是有(5)但要注意，A自然冷却时所测出的阳 与试验中稳

5、恒态时A散热是的热流速率匚是不同的。因为 A在自然冷却时，它的所有外表面都暴漏在空气中，都可以 散热，而在实验中的稳恒态时，A的上表面是与B接触的，故上表面是不散热的 由传热定律：物体因空气对流而散热的热流速率与物体暴露空气中的表面积成正 比。设A的上下底面直径为d，高为h，则有f d + 4i / d + 4i (6)将（6）带入（2）式即得【实验仪器】1. EH-3型数字化热学实验仪图3. EH-3型数字化热学实验仪竺非良导佯热导車的测量图4. EH-3型数字化热学实验仪2.测导热率的 实验装置加热盘、待测样品橡胶盘、散热铝盘游标卡尺量程：0125 mm 分度值：0.02 mm仪 0.02

6、 mm表1实验仪器【实验内容】(1) 建立稳恒态 如图3、图4所实验装置，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80C)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°C)。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 Ta 0.1 C，则可认为达到稳恒态。记下此时的 A和C的温度T2和T i。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

7、归零。(2) 测A盘在T2时的自然冷却速度在读取稳态时的和T2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T2高3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T2附近的冷却速率dT。dt(3) 用游标卡尺测出待测板 A的直径2Ra和厚度hA，记下A盘的质量m铝。(4) 根据式(7)出待测材料的导热系数 。【实验数据及误差分析】A T2=51.58 CB T仁57.27 CTo=3CA在T2时的冷却曲线数据t丄012

8、345678910;ui£lIJ51.58+54.053.252.451.751.050.349.648.048.351.58-5T口5167245615cdT dt-0.83A在T2时的冷却曲线由图得齐。83稳恒态时T1,T2数据c123456T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27表36j (XX)2s=n的不确定度：SatQ =0.01579 (C) n( n1)T1-T25.675.685.705.715.705.70所以： T1-T2=5.690.02 (C)薄圆板A的直径D与厚度的数据

9、Imm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表45(xx)2表径DS= n的A类不确定度：Sai 1:=0.1112( mmn(n1)B类不确定度：仪0.02 ( mm合成不确定度：d :，仪2 Sa20.11 ( mm所以:D=99.560.11(mm =0.09956 0.00011(M)5（X X）2厚度hs= n的A类不确定度：Saq =0.1759（ mmB类不确定度：仪0.02 （ mm合成不确定度：h ,仪2 Sa20.18 （ mm）所以:h=2.340.18

10、(mm =0.01234 0.00018(M)厚度I二(xx)21S= n的 A类不确定度：Sat=0.0197 (mRB类不确定度：仪0.02 (mm合成不确定度：h ,仪2 Sa2 0.03 (mn)所以：h=9.350.03 (mm =0.0094 0.0004(M)另外 mA =0.26kg,c=0.89kj/kg不确定度°C 为单次测量，不考虑A类 51>计算薄圆板的导热率=2.5 W/m对应的误差传递公式为：(hh)2T1(T1TT22)2(0.0004)22( 0. 00011)2( 0.00018)2(。.。午0.00940.099560.012345.694.

11、51%2.5110-20.04511. 1310 3W/m最终测得待测材料的导热系数W/m【注意事项】 待测平板上、下平面的温度、t2是用加热圆盘C的底部和散热铝盘A的温度来代表，必须保证样品与圆盘 C的底部和散热铝盘A的上表面密切接触。 要根据实验时的具体情况，调整设定温度。一般设定温度在60C至U 70C之间。 撤去样品盘后，若散热盘的温度上升不到5°C或温度上升太慢，可适当增加设定温度（如5°C），但最好等到散热盘温度基本不变后，再移去加热盘。 防止烫伤！【分析思考】1什么叫稳态导热？如何判定实验达到了稳定导热状态？答稳态导热”全称“稳定状态导热”，亦称“稳定导热”。物体内各点的温度不随 时间而变化的导热过程。稳态时，加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根 据样品上下表面的温度（即加热盘和散热盘的温度） 连续10min内保持不变，判 断实验达到了稳定导热状态。2什么是传热速率、散热速率、冷却速率？这三者在稳态测量时有什么内