不良导体导热系数的测定.docx

实验 六 不良导体导热系数的测定导热系数（又称热导率）是表征物质材料热传导性质的重要物理量材料结构的变化与所 含杂质的不同对材料导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去 具体测定1804 年法国物理学家毕奥通过平壁导热实验的结果最早的表述了导热定律稍后，1822 年法国的傅立叶运用数理的方法，更准确地把它表述为后来称之为傅立叶定律的微分形式 从而奠定了导热理论目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上从测量的方法来说可 分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形 成一稳定的温度分布，然后进行测量在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化 的例如呈周期性的变化等本实验采用稳态法进行测量实验目的】 （1）学习用稳态法测定材料的导热系数2）学习如何运用实验观测的手段，尽快找到最佳的实验条件和参数，正确测出所需 的实验结果的方法3）学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法4）学习热电偶的测温原理和方法实验原理】（1）傅立叶热传导方程1882 年法国数学、物理学家傅立叶给出了一个热导体的基本公式——傅立叶导热方程 式该方程式指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h、温度分别为-、 T的平行面（设T]>T ），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)dQdt式中dQdt为热流量，九为该物质的热导率（又称导热系数），表明物质导热的能力。

九在 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，在单位时间内通过单位面积的热量；其单位为W（m K）2）本实验装置为导热系数测定仪，如图1 所示本仪器可用于稳态法测量不良导体金属和气体的导热系数，采用电热板加热、热电偶测温、数字毫伏表测量温差电动势它由电加热板、铜加热盘A,橡皮样品圆盘B,铜散热盘C、样品支架及调节螺丝、风扇、温度传感器以及控温与测温器组成图 1 导热系数测定装置固定于底座上的的三个调节螺丝，支撑着一个散热铜盘C,散热盘C可以借助底座内的 风扇，达到稳定有效的散热散热盘上安放面积相同的圆盘样品B,样品B上放置一个圆盘 状加热盘A，加热盘A由电加热板提供热量加热时，电压开关可根据需要置于“220V”档、 “110V”档或关闭状态（“0V"档）实验时一方面电热板发出的热量直接通过加热盘 A 由样品上表面传入样品，另一方面散热盘 C 借电扇有效稳定地散热，使传入样品的热量不断往样品下表面散出当传入的热 量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时加热盘和散热盘各维持稳定的温度E、T，它们的数值分别用安插在A、C侧面深孔中的热电偶B】、B2来测量B「B/勺冷端插2 1 2 1 2入盛有冰水混合物（作为参考温度T =OoC ）的杜瓦瓶中的细玻璃管内。

热电偶B］端接入 导热系数测定仪面板上的“测1”插孔，热电偶B2端接入导热系数测定仪面板上的“测2” 插孔，“电表”的两插孔引出导线接入数字毫伏表本实验选用铜—康铜热电偶测温度热电偶产生的温差电动势与冷热两端的温度差成 正比，铜一康铜热电偶的特性为冷热两端温差为100OC时，产生温差电动势为4.2mV,由于其冷端温度为 00C ，故在温度变化不大时，其温差电动势与热端温度的比值为一常数（4-2mV/00oC ），即在本实验条件下数字式毫伏表显示的读数正比于热端的温度在计 算时，可直接以电动势值代替温度值代入公式进行计算G 为双刀双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路由式（6.1）可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为dQ T — T=入— 2 KR 2 （2）dt h BB式中R为圆盘样品的半径，h为样品厚度当传热达到稳定状态时，T和T的值不变，B B 1 2于是通过B盘上表面的热流量与由散热铜盘C向周围环境散热的速率相等因此，可通过 散热铜盘c在稳定温度t时的散热速率来求出热流量dQdt实验中，在读得稳定时的「、T后，即可将样品B盘移去，而使加热盘A的底面与散热铜盘C直接接触。

当散热铜盘C2的温度上升到高于稳定时温度―若干摄氏度后，再将电热板移去，让散热铜盘C自然冷却根dtdT 观测其温度T随时间t变化情况，然后由此求出散热铜盘C在T2的冷却速率 据比热容的定义，对温度均匀的物体，其散热速率畀与冷却速率的关系为3)辺 dT=mc & dtT巴m为黄铜盘C的质量、c为其比热容）就是黄铜盘在温度为-时的散热速率但须注意，这样求出的浮 是黄铜盘的全部表面暴露于空气的散热速率，其散热表面积为2“R2 + 2“R h Ot C C C(其中R与h分别为黄铜盘的半径与厚度)然而，在观测样品稳态传热时,C盘的上表面 CC(面积为“R2 )是被样品覆盖着的考虑到物体的散热速率与它的表面积成正比，则稳态 C时铜盘散热速率的表达式应修正如下：6.4)dQ dT (“R2 + 2“R h )=me c c c dt dt (2“R2 + 2“R h )c c c将式(6.4)代入式(6.2)，得：. dT (R + 2h ) h 16.5)九二 me C C b—dt (2R + 2h ) (T - T ) “R 2 C C 1 2 B(3) 本实验的完成和实验结果的成败，关键是如何有效地控制实验条件与参数，尽快 判定和最终达到样品内部温度分布的稳定状态。

稳态法中，在样品B内完全达到稳定的温度分布，一般需要等待较长时间，且与T、、12 加热的快慢、室温等等环境条件有关未开始实验时， A、 B、 c 盘的温度均与室温相等 一开始加热， A 盘温度开始上升，上升的快慢与加热板的供电电压有关，电压高，加热快， A盘温度上升快；随着A盘温度的升高，热量开始通过样品B传到C盘，C盘的温度开始 上升，而上升的速度与 c 盘的温度、 c 盘本身的散热状态有关(物体的散热快慢决定于物 体本身的温度与周围环境的温差)所以为了提高实验效率，缩短达到温度平衡状态的时间， 必须有目的地控制实验条件一般是先加大电加热板的供电电压，使A盘温度尽快上升至 某一定值E，然后降低供电电压(根据A盘温度的变化情况或降低或升高供电电压以使A 盘温度维持为定值T)，观察A盘和C盘的温度变化情况确定加热电压的数值和持续时间， 从而最有效地找到最佳的实验参数实验装置】导热系数测定仪、数字毫伏表、测温热电偶(铜-康铜)、杜瓦瓶、天平、游标卡尺、待 测样品等实验内容及步骤】(1) 用游标卡尺测量样品盘B和散热盘C的半径R、R及厚度h、h，各测量五次取B C B C平均用电子称称衡铜盘的质量m。

测量一次2) 安装、调整、熟悉整个实验装置：在支架上先后放上散热圆铜盘、待测橡胶样品和加热 圆铜盘，并用固定螺母固定在支架上，调节三个调节螺丝，使样品盘的上下表面与加热盘和 散热盘充分接触，但注意不宜过紧或过松⑶ 接通电源电，用“升温”键设置加热盘温度为70.00到220V,按“确定”键开始加热4) 当加热盘温度到达70.0±0.3时，每隔lmin读一下加热盘和散热盘的温度示值T、T，12如在lOmin内样品上、下两盘的表面温度T、T示值都不变，即你所记录的数据有1012组T、T值都不变，可认为已经达到稳定状态记住稳态时T、T值1 2 1 2(5) 移去样品，用加热盘直接对散热盘进行加热使散热铜盘温度比稳态时的T高出15o C2左右时，关闭加热盘电源，移去加热盘，让散热铜盘自然冷却冷却过程每隔30s读一次散热铜盘的温度示值，直至散热铜盘温度比稳态时的温度T低出10o C左右为止2数据处理】表2测量散热盘在稳态值T?附近的散热速率时，每隔30s记录的温度:散热盘的冷却曲线，以时间t为X轴，温度T为Y轴，用表2的数据绘制散热盘的冷却曲线然后画出曲线上温度T点的切线，求出此切线的斜率K，K即为温度T时散热22盘的冷却速率。

2)把各数值代入式(4)求出橡胶的导热系数 注意事项】(1) 安置散热盘、加热盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶、数字毫伏计位于同一侧 热电偶的金属丝较细，放置与取下时要特别小心以免折断热电偶插入小孔时，(要抹上些 硅油，)并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好热电偶冷端插在(滴有硅油的) 细玻璃管内，再将玻璃管浸入冰水混合物中将样品抽出时，先断开加热电源，为防止高温烫伤要戴上手套，小心地升、降加热盘 在测定散热盘的冷却过程时，加热盘(圆筒)移开后必须将它固定在基架上，并旋紧 固定螺母，防止实验过程中下滑造成事故当散热盘离开加热盘自然冷却时，冷却电扇应仍处于工作状态，以形成一个稳定的散 热环境2) 实验过程中若发现读数呈不规则变化，请向教师及时报告3) 本实验选用铜一康铜热电偶测温度，温差100o C时，其温差电动势约4.2mV，配置的数字电压表能读到O.OlmV4) 实验结束后，务必记得关闭电源，以免温度过高，造成危险实验内容及步骤】(1) 用游标卡尺测量样品盘B和散热盘C的半径R、R及厚度h、h，各测量五次取B C B C平均用电子称称衡铜盘的质量m测量一次2) 安装、调整、熟悉整个实验装置：在支架上先后放上散热圆铜盘、待测橡胶样品和加热 圆铜盘，并用固定螺母固定在支架上，调节三个调节螺丝，使样品盘的上下表面与加热盘和 散热盘充分接触，但注意不宜过紧或过松。

⑶ 接通电源电，用“升温”键设置加热盘温度为70.00到220V，按“确定”键开始加热4)当加热盘温度到达70.0±0.3时，每隔1min读一下加热盘和散热盘的温度示值T、T，12如在10min内样品上、下两盘的表面温度T、T示值都不变，即你所记录的数据有1012组T、T值都不变，可认为已经达到稳定状态记住稳态时T、T值1 2 1 2(5) 移去样品，用加热盘直接对散热盘进行加热使散热铜盘温度比稳态时的T高出15o C2 左右时，关闭加热盘电源，移去加热盘，让散热铜盘自然冷却冷却过程每隔30s读一 次散热铜盘的温度示值，直至散热铜盘温度比稳态时的温度丁2低出10oC左右为止。