稳态法测固体的导热系数.ppt

 预备问题预备问题 1.什么叫稳定导热状态（简称稳态）？什么叫稳定导热状态（简称稳态）？ 如何判定实验达到了稳定导热状态？如何判定实验达到了稳定导热状态？2.待测样品盘是厚一点好，待测样品盘是厚一点好， 还是薄一点好？为什么？还是薄一点好？为什么？3.如何根据冷却曲线求出温度如何根据冷却曲线求出温度T2附近附近 的冷却速率？的冷却速率？背景介绍 热传导热传导是热量传递的三种基本形式之一，是是热量传递的三种基本形式之一，是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下由于温差引起的热量的传递过程由于温差引起的热量的传递过程 热传导现象广泛存在，如房屋的墙壁时刻热传导现象广泛存在，如房屋的墙壁时刻进行热传导过程，水杯壁、衣服、锅炉、过热进行热传导过程，水杯壁、衣服、锅炉、过热器、冷凝器，热力管道，航天器隔热瓦、电子器、冷凝器，热力管道，航天器隔热瓦、电子芯片散热片等等都存在热传导现象芯片散热片等等都存在热传导现象  法国科学家傅里叶根据实验得法国科学家傅里叶根据实验得到热传导基本关系，到热传导基本关系，1822年提出了年提出了热传导热传导基本定律基本定律 ，指出，指出导热热流密度导热热流密度（单位时间（单位时间通过单位面积的热量）和通过单位面积的热量）和温度梯度温度梯度成正比成正比关系。

数学表达式为：关系数学表达式为： 此即此即傅里叶热传导定律傅里叶热传导定律，， 是导热系数又是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理称热导率，是表征物体传导热能力的物理量，量， 在数值上等于每单位长度温度降低在数值上等于每单位长度温度降低 一一个单位时，单位时间内通过单位面积的热个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是量，其单位是W/(m ·K )傅里叶傅里叶 某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系在科学实验和工程设计湿度及杂质含量相联系在科学实验和工程设计中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导热中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导热系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方法系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方法来精确测定来精确测定 一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。

根据国标的要大；气体的导热系数最小根据国标GB4272GB4272——9292规定，平均温度规定，平均温度不高于不高于 时导热系数不大于时导热系数不大于0.12W/(m0.12W/(m• •K)K)的材料才能称为保温材的材料才能称为保温材料导热系数小于料导热系数小于 的材料称为超级保温材料的材料称为超级保温材料 散散热热片片泡沫隔热板泡沫隔热板测量导热系数的方法分测量导热系数的方法分稳态法稳态法和和非稳态法非稳态法两大类两大类稳态法稳态法是是先用热源对待测样品进行加热，并在样品内先用热源对待测样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量部形成稳定的温度分布，然后进行测量非稳态法非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数物体已知的密度和比热，求得导热系数 测量导热系数方法很多，没有哪一种测量方法适用测量导热系数方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。

要得到准确的测量值，必须基于物方法都能适用要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法本实验采用法本实验采用稳态平板法稳态平板法测量物体的导热系数，测量物体的导热系数，该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性实验目的实验目的1．了解热传导现象的物理过程．了解热传导现象的物理过程2．了解物体散热速率和传热速率的关系．了解物体散热速率和传热速率的关系3．学会用铂电阻型传感器测定温度．学会用铂电阻型传感器测定温度4．学习一种测量材料导热系数的实验方法．学习一种测量材料导热系数的实验方法实验原理实验原理热传导达到稳定状态时热传导达到稳定状态时根据傅里叶热传导定律根据傅里叶热传导定律有：有：导热系数实验装置示意图导热系数实验装置示意图（（1））稳态时稳态时:传入的热量等于散出的热量传入的热量等于散出的热量 样品盘样品盘B的传热速率等于散热盘的传热速率等于散热盘C的散热速率的散热速率（（2））物体的散热速率与冷却速率之间的关系物体的散热速率与冷却速率之间的关系（（3））单独测量单独测量m 是散热黄铜的质量，是散热黄铜的质量，c 是黄铜的比热容。

是黄铜的比热容 考虑到散热盘考虑到散热盘C的上表面是被样品盘的上表面是被样品盘B覆盖着，覆盖着，通过通过样品盘样品盘B的热流量的热流量应和应和散热黄铜盘散热黄铜盘C向侧面向侧面和下面的散热速率相同，修正（和下面的散热速率相同，修正（3）式，即有：）式，即有：（（4））由（由（1）、（）、（2）、（）、（4）式得）式得导热系数：导热系数：实验仪器实验仪器 TC-3B TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪型稳态法固体导热系数测定仪型稳态法固体导热系数测定仪型稳态法固体导热系数测定仪 测试仪表测试仪表测试架测试架测试仪表测试仪表 PID智能温度控制器智能温度控制器设定温度设定温度•控制器面板布置图（见图）：例如控制器面板布置图（见图）：例如需要设置加热温度为需要设置加热温度为60℃60℃，具体操，具体操作步骤如下：作步骤如下：•1 1．先按设定键．先按设定键SET 0.5SET 0.5秒，进入温秒，进入温度设置数字闪烁的位数即是可以度设置数字闪烁的位数即是可以进行调整的位数进行调整的位数•3 3．按上调键或下调键确定这一位．按上调键或下调键确定这一位数值，按此办法，直到各位数值符数值，按此办法，直到各位数值符合设定温度值。

合设定温度值•4 4．再按设定键．再按设定键SET 1SET 1次，设定工作次，设定工作完成如需要改变温度设置，只要完成如需要改变温度设置，只要重复以上步骤就可重复以上步骤就可测试架测试架样样 品品 盘盘环氧树脂盘环氧树脂盘实验内容及步骤1、、测量测量样品盘样品盘B和散热盘和散热盘C的直径、厚度的直径、厚度用游标卡尺，分别在不同位置测五组用游标卡尺，分别在不同位置测五组2．安装待测样品：在支架上先放上散热圆铜盘．安装待测样品：在支架上先放上散热圆铜盘C，再在，再在C的上面放上待测样品盘的上面放上待测样品盘B，然后再把带发热器的圆铝盘，然后再把带发热器的圆铝盘A放放在盘在盘B上，再调节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与发上，再调节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与发热铝盘热铝盘A和散热铜盘和散热铜盘C密切接触密切接触3.置放温度传感器：将两个铂电阻测温传感器分别插入发热置放温度传感器：将两个铂电阻测温传感器分别插入发热铝盘铝盘A（上盘）和散热铜盘（上盘）和散热铜盘C（下盘）上的小孔中下盘）上的小孔中4.打开仪表电源开关，记录两传感器的初始温度打开仪表电源开关，记录两传感器的初始温度。

5．设置加温上限温度为．设置加温上限温度为60℃℃ m 刻在铜盘上，记录下来刻在铜盘上，记录下来6．测量稳态温度：打开加热开关，每隔．测量稳态温度：打开加热开关，每隔2分钟记下散分钟记下散热铜盘热铜盘C的温度，当发热铝盘的温度，当发热铝盘A、散热铜盘、散热铜盘C的温度不的温度不再上升时（大约需要加热再上升时（大约需要加热40分钟左右），说明系统已分钟左右），说明系统已达到稳态，这时每隔达到稳态，这时每隔 5 分钟测量并记录分钟测量并记录T1和和T2的值，的值，测测5组7.散热速率的测量：在读得稳态时的散热速率的测量：在读得稳态时的T1、、T2后，即可后，即可将将 B 盘移去，而使发热铝盘盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘的底面与散热铜盘 C 直接接触当直接接触当 C盘的温度上升到高于稳态时的盘的温度上升到高于稳态时的T2值若值若干摄氏度（例如干摄氏度（例如3℃℃左右）后，再将发热铝盘左右）后，再将发热铝盘 A 移开，移开，关掉加热开关，让散热铜盘关掉加热开关，让散热铜盘 C在空气中自然冷却记在空气中自然冷却记录其温度录其温度T随时间随时间t降低的数据（每降低的数据（每30秒记录一次），秒记录一次），记到记到T2以下至少有十个数据。

由此可以计算出以下至少有十个数据由此可以计算出C盘的散盘的散热速率热速率 数据处理数据处理1. 自己设计表格，记录数据自己设计表格，记录数据2 . 用作图法绘出用作图法绘出T—t关系图3. 选择选择T2附近附近10组数据，组数据， 用逐差法计算散热盘冷却速率用逐差法计算散热盘冷却速率 4. 计算待测样品的导热系数计算待测样品的导热系数 5. 计算不确定度计算不确定度 ，并给出结果表达并给出结果表达说明：（长度、质量测量误差忽略，本实验只考虑冷却速率的说明：（长度、质量测量误差忽略，本实验只考虑冷却速率的误差）误差）6．回答预备问题．回答预备问题7. 分析误差来源分析误差来源注意事项注意事项1．实验操作过程中，要注意防止高温烫伤；．实验操作过程中，要注意防止高温烫伤；2．测温传感器插到孔洞底部，使之保证良好接触；．测温传感器插到孔洞底部，使之保证良好接触；3．实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致，．实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致， 要进行修正；要进行修正；4．测量稳态温度和冷却速率过程中，要注意保持．测量稳态温度和冷却速率过程中，要注意保持 一样的环境条件一样的环境条件；；5. 实验之后，整理好仪器设备，桌面清洁，凳子实验之后，整理好仪器设备，桌面清洁，凳子 归位，仪器摆放与来时一样。

归位，仪器摆放与来时一样附录附录 逐差法处理数据及不确定度估算逐差法处理数据及不确定度估算。