非良导体热导率的测量带实验大数据处理

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 l 、底面积为 S等，且 T1T2，则有热量自上底面传乡下底面（见图TT1），其热量可以表示为(1)图 1 测量样品式中，为热流量，代表单位时间里流过薄圆板的热量；为薄圆板内热流

2、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(2)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）。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，但并不为零，固有热量通过 B 传递

3、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 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自（3）式中

4、， 为 A 的比热容；为 A的质量； n=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 To（）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（）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

5、冷却速度，即?（4）于是有自（5）但要注意， A 自然冷却时所测出的自与试验中 稳恒态时 A 散热是的热流速率 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，则有自将 （6）带入（ 2）式即得= ?（6）?（7）?【实验仪器】1EH-3 型数字化热学实验仪图 3. EH-3 型数字化热学实验仪图 4. EH-3 型数字化热学实验仪2.测导热率的加热盘、待测样品橡胶盘、散热铝盘实验

6、装置量程： 0125mm0.02mm游标卡尺仪分度值： 0.02mm表 1 实验仪器【实验内容】（1）建立稳恒态1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 80）值。2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）。3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 T A0.1 ，则可认为达到稳恒态。记下此时的A 和 C 的温度 T 2 和T1 。时间测量：按动“启动”

7、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 2 时的自然冷却速度在读取稳态时的T1 和 T 2 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 2 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，dT求出 A 盘在 T 2 附近的冷却速率。（ 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

8、待测材料的导热系数。【实验数据及误差分析】AT2=51.58 BT1=57.27 To=3A在 T2 时的冷却曲线数据012345678910tT51.58+554.053.252.451.751.050.349.648.048.351.58 - 5167245615dTdt-0.83表 2图 5dT由图得 n= 0.83稳恒态时 T1,T2 数据123456T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27T1-T25.675.685.705.715.705.70表 36x )2i( xS=n 的不确定度： SAt

9、11)=0.01579 （ ）(n n所以： T1-T2=5.690.02 （ ）薄圆板 A 的直径 D与厚度的数据lmm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表 45x )2( x表径 DS= n 的 A类不确定度： SAti 11)=0.1112（mm）(n nB 类不确定度：仪0.02 （mm）合成不确定度：d所以：D=99.56仪 2SA 20. 11（ mm）0.11 （mm）=0.099560.00011(M)5x ) 2( x厚度 hS= n 的 A类不确定度：

10、SAti 11)=0.1759（mm）(n nB 类不确定度：仪0.02 （mm）合成不确定度：h22（mm）仪SA0. 18所以：h=2.340.18 （mm）=0.012340.00018(M)厚度 l5( xx )2S= n的 A 类不确定度： SAti1=0.0197 （mm）n( n1)B 类不确定度：仪0.02 （mm）合成不确定度： h2SA2（mm）仪0. 03所以：h=9.350.03 （mm）=0.0094 0.0004(M)另外m，为单次测量，不考虑A 类不A =0.26kg,c=0.89kj/kg确定度计算薄圆板的导热率=2.5W/m对应的误差传递公式为：(L )22(

11、D )2(h )2(T1T 2)2LDhT1T 2( 0.0004)22( 0. 00011)2( 0.00018) 2( 0.02) 20.04510.00940. 099560.012345.694.51%2. 5110- 20. 04511. 1310 3 W/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 T1 、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60到 70之间。撤去样品盘后， 若散热盘的温度上升不到5o C 或温度上升太慢，可适当增加设定温度 ( 如 5o 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