1、不良导体导热系数的测定不良导体导热系数的测定郑长波郑长波综合型物理实验综合型物理实验一、背景知识一、背景知识 导热系数，工程上又称热导率，是反映材料导热性导热系数，工程上又称热导率，是反映材料导热性能的重要参数之一，它不仅是评价材料热学特性的依据，能的重要参数之一，它不仅是评价材料热学特性的依据，也是材料在设计应用时的一个依据。在物体的散热和保也是材料在设计应用时的一个依据。在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。涉及这一参数。 由于材料结构的变化对导热系数有明显的影响，导由于材料结构的变化对导热系数有明显的
2、影响，导热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义，而热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义，而且对新材料的研制和开发也具有重要意义。导热系数大、且对新材料的研制和开发也具有重要意义。导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。差的材料称为不良导体。一、背景知识一、背景知识 一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体一般来说，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。因为的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的
3、杂材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程技术中对材料的导热系数常用实验的在科学实验和工程技术中对材料的导热系数常用实验的方法测定。方法测定。 测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本实验采用稳态法测量不良导体热导率。通过实两类。本实验采用稳态法测量不良导体热导率。通过实验我们可以加深对热传导规律的理解，体会使用参量转验我们可以加深对热传导规律的理解，体会使用参量转换法的设计思想，掌握用温度传感器测量的方法。换法的设计思
4、想，掌握用温度传感器测量的方法。二、实验目的二、实验目的掌握稳态法测不良导体的导热系数的方法掌握稳态法测不良导体的导热系数的方法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理解温差热电偶特性理解温差热电偶特性三、实验仪器三、实验仪器v红外灯红外灯v传热筒传热筒v杜瓦瓶杜瓦瓶v待测橡胶样品待测橡胶样品v黄铜盘黄铜盘v硅油硅油v物理天平物理天平v秒表秒表v游标卡尺游标卡尺v数字电压表数字电压表v温差电偶温差电偶v调压器调压器四、实验原理四、实验原理v 1、热传导定律、热传导定律SdxdtQx0表示表示x x0 0处与处与 S S垂直的垂直的温度梯度温度梯度0 xdxd在在 t
5、t时间内经时间内经 传递的热量为传递的热量为 Q：四、实验原理四、实验原理SdxdtQx0负号负号代表热量传递方向是从高温区传至低温区代表热量传递方向是从高温区传至低温区比例系数比例系数 称为称为导热系数导热系数。tQ为传热速率。为传热速率。四、实验原理四、实验原理v 2、导热系数、导热系数SdxdtQx0导热系数导热系数 表示相距单位长度的两平面的温度表示相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦传递的热量，单位是瓦米米-1 -1 开开-1-1（W m-1K-1），导），导热系数是反映材料的导热性能的
6、重要参数之一。热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一。 称为导热系数称为导热系数v 3、稳态法测不良导体的导热系数、稳态法测不良导体的导热系数 实验装置示意图实验装置示意图当传入样品当传入样品的热量等于的热量等于散出的热量散出的热量时，样品处时，样品处于于稳定导热稳定导热状态状态。 样品内部的样品内部的温度不再随温度不再随着时间变化着时间变化。 四、实验原理四、实验原理样品（橡胶盘）的传热速率为：样品（橡胶盘）的传热速率为：AhtQB21 1 1为为样品上表面的温度，样品上表面的温度， 2 2为样品下表面为样品下表面的温的温度，度，h hB B为样品的厚度，为样品的厚度，A A为样品的截面面
7、积。为样品的截面面积。样品（橡胶盘）样品（橡胶盘）发热盘发热盘散热盘（黄铜盘）散热盘（黄铜盘）截面面积截面面积AhB样品样品四、实验原理四、实验原理稳态时稳态时:传入的热量等于散出的热量传入的热量等于散出的热量 202101tqtQ稳态时样品上下表面的温度分稳态时样品上下表面的温度分别为一定值别为一定值 10 和和 20即，样品的传热速率等于散热盘的散热速率即，样品的传热速率等于散热盘的散热速率样品样品 四、实验原理四、实验原理AhtqB2010202AhtQB21202tq202101tqtQ由上式可见，关键是求散热盘的散热速率由上式可见，关键是求散热盘的散热速率移开样品，让散热盘自然散热冷
8、却，在温度移开样品，让散热盘自然散热冷却，在温度 20附近，散热盘的散热速率可以表示为：附近，散热盘的散热速率可以表示为：202202tmctq四、实验原理四、实验原理考虑散热盘自由冷却与稳态时的散热面积不同，考虑散热盘自由冷却与稳态时的散热面积不同，引入修正系数：引入修正系数： cccccccccchDhDtmchRRhRRtmctq2421222202202202222201012421202BBccccRhhDhDtmc于是，导热系数为：于是，导热系数为：四、实验原理四、实验原理0tEv 4、温差热电偶的工作原理、温差热电偶的工作原理 两种金属接触处由两种金属接触处由于温度差而产生电动势
9、于温度差而产生电动势的现象称为温差电动势，的现象称为温差电动势，一般情况下，温差电动一般情况下，温差电动势近似与两接触端的温势近似与两接触端的温度差成度差成正比正比。检流计0C 冰水加热检流计电压值即为温度示数电压值即为温度示数杜瓦瓶里冰水混合物为杜瓦瓶里冰水混合物为冷端；发热盘、散热盘冷端；发热盘、散热盘分别与冷端形成两个温分别与冷端形成两个温差电偶。差电偶。测量橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）测量橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）的直径、厚度的直径、厚度DB、hB、DC、hC, ,黄铜盘质黄铜盘质量由实验室提供。量由实验室提供。测量散热板（黄铜板）的冷却速率测量散热板（黄铜板）的冷却速率 ，
10、计算计算 。五、实验内容和步骤五、实验内容和步骤稳态法测传热板和散热板的温度稳态法测传热板和散热板的温度 10 和和 20202t六、数据记录和处理六、数据记录和处理记录橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）记录橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）的直径、厚度的直径、厚度DB、hB、DC、hC, ,并给出相并给出相应的测量结果。应的测量结果。采用采用逐差法逐差法求散热板（黄铜板）在温度为求散热板（黄铜板）在温度为 20时的时的冷却速率冷却速率 ，其中，其中 t=120s。记录记录稳态法测量的温度稳态法测量的温度 10 和和 20202t计算橡胶板的导热系数计算橡胶板的导热系数 ，并与标准值比，并与标准值
11、比较，计算出误差。较，计算出误差。构建热传递的稳定状态构建热传递的稳定状态（1 1）调整好实验装置）调整好实验装置, ,各盘之间不能有间隙。各盘之间不能有间隙。（2 2）接通电源，加热。将输出电压调至）接通电源，加热。将输出电压调至180180V V。（3 3）每隔）每隔2 2分钟分钟观察散热盘的温度观察散热盘的温度2 2 , ,在在1010分分钟钟内不变则系统的热传导已达到内不变则系统的热传导已达到稳定状态稳定状态。测量散热板（黄铜盘）的冷却速率测量散热板（黄铜盘）的冷却速率 202|t（4 4）用镊子抽出橡胶盘，使发热盘）用镊子抽出橡胶盘，使发热盘A A与散热盘与散热盘P P直接接触，通直
12、接接触，通电使散热板温度比电使散热板温度比2020高高0.5mv0.5mv时立即分离两板，散热盘开始自时立即分离两板，散热盘开始自由冷却，每隔由冷却，每隔3030秒读出散热盘的温度示值秒读出散热盘的温度示值 2 2，选择附近前后各，选择附近前后各四个数据填入记录表，用逐差法进行处理。四个数据填入记录表，用逐差法进行处理。/mv2101801501209060300用逐差法求冷却速率用逐差法求冷却速率: 42109018060150301200 七、注意事项七、注意事项2构建稳态环境，构建稳态环境，保持在保持在3.00mV0.03mV范围内，范围内，测量测量 20 3实验过程中不实验过程中不要接触红外灯要接触红外灯和加热筒，以和加热筒，以免烫伤。免烫伤。4加热电压不要加热电压不要超过超过200V，以免烧焦样品。以免烧焦样品。1数字电压表调数字电压表调零，注意热电零，注意热电偶接线。偶接线。
