搜档网
当前位置:搜档网 › 稳态法测量不良导体的导热系数

稳态法测量不良导体的导热系数

稳态法测量不良导体的导热系数
稳态法测量不良导体的导热系数

稳态法测量不良导体的导热系数

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。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。

测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。

【实验目的】

本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。

【实验原理】

1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。

设稳态时,样品的上下平面温度分别为1θ、2θ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式:

S h t Q

B

21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的直径为B d ,则由(1)式得:

2214B B

d h t Q

πθθλ-=?? (2) 实验装置如图1所示,固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 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C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。

当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度1θ和2θ不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量

t

Q

??。 实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度1θ和2θ后,将样品B 抽去,让加热盘C 与

散热盘P 接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的2θ值C 20或者C

20以上后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度θ随时间t 的下降情况,求出散热盘在2θ时的冷却速率

2

θθθ=??t

,则散热盘P 在2θ时的散热速率为:

2

θθθ

=??=??t

mc t Q (3)

其中m 为散热盘P 的质量,c 为其比热容。

在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正:

)

22()

2(2

2

2

P P P P P p h R R h R R t

m c t Q ππππθ

θθ++??=??= (4)

其中P R 为散热盘P 的半径,P h 为其厚度。 由(2)式和(4)式可得:

)

22()

2(42

2

2

2

12

P P P P P p B

B

h R R h R R t

m c

d h ππππθ

πθθλ

θθ++??=-= (5)

所以样品的导热系数λ为: 2

211

)(4)22()

2(2

B B P P P p d h h R h R t

mc

πθθθλθθ-++??== (6)

【实验仪器】

FD-TC-B 型导热系数测定仪装置如图1所示,它由电加热器、铜加热盘C ,橡皮样品圆盘B ,铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。

图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图

【实验内容】

(1) 取下固定螺丝,将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间,橡皮样品要求与加热盘、散热盘

完全对准;要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘接触良好,但注意不宜过紧或过松;

(2) 按照图1所示,插好加热盘的电源插头;再将2根连接线的一端与机壳相连,另一有传

感器端插在加热盘和散热盘小孔中,要求传感器完全插入小孔中,并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂,以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时,还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。(注意:加热盘和散热盘两个传感器要一一对应,不可互换。)

(3) 接上导热系数测定仪的电源,开启电源后,左边表头首先显示从FDHC ,然后显示当时

温度,当转换至b = =· =,用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键,加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。

(4) 加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘的温度,可每隔一分钟记录一次,

待在10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变,可以认为已经达到稳定状态了。

(5) 按复位键停止加热,取走样品,调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度

到C

80,加快散热盘的温度上升,使散热盘温度上升到高于稳态时的2θ值C

20左右即可。

(6) 移去加热盘,让散热圆盘在风扇作用下冷却,每隔10秒(或者30秒)记录一次散热盘

的温度示值,由临近2θ值的温度数据中计算冷却速率

2

θθθ

=??t

。也可以根据记录数据做

冷却曲线,用镜尺法作曲线在2θ点的切线,根据切线斜率计算冷却速率。

(7) 根据测量得到的稳态时的温度值1θ和2θ,以及在温度2θ时的冷却速率,由公式

2

211

)(4)22()

2(2

B B P P P p d h h R h R t

mc

πθθθ

λθθ-++??==计算不良导体样品的导热系数。

【注意事项】

1. 为了准确测定加热盘和散热盘的温度,实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂

或者硅油,以使传感器和加热盘、散热盘充分接触;另外,加热橡皮样品的时候,为达到稳定的传热,调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热盘、散热盘紧密接触,注意不要中间有空气隙;也不要将螺丝旋太紧,以影响样品的厚度。

2.导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用,减小样品侧面与底面的放热比,增加样品内部的温度梯度,从而减小实验误差,所以实验过程中,风扇一定要打开。

【数据处理】例(仅供参考)

样品:橡皮; 室温:C

20;

散热盘比热容(紫铜):C=385)/(K Kg J ?; 散热盘质量:g m 42.891=; 散热盘厚度P h (多次测量取平均值):

表1 散热盘厚度(不同位置测量)

所以散热盘P 的厚度:P h =7.66mm ;

散热盘半径P R (多次测量取平均值):

表2 散热盘直径(不同角度测量)

所以散热盘P 的半径:P R =65.00mm ; 橡皮样品厚度B h (多次测量取平均值):

表3 橡皮样品厚度(不同位置测量)

所以橡皮样品的厚度:B h =8.06mm ; 橡皮样品直径B d (多次测量取平均值):

表4 橡皮样品直径(不同角度测量)

所以橡皮样品的直径:B d =129.02mm ;

稳态时(10分钟内温度基本保持不变),样品上表面的温度示值C 2.801=θ,样品下表面温度示值C 0.452=θ;

每隔10秒记录一次散热盘冷却时的温度示值如表5:

表5 散热盘自然冷却时温度记录

作冷却曲线得到:

图2 散热盘冷却曲线

取临近2θ温度的测量数据求出冷却速率S C t

/040.02

=??=θθθ。

(或者用镜尺法求出冷却速率)

将以上数据代入公式(6)计算得到:

)

/(13.0)1002.129(1

0.452.801006.8466.7200.65266.7200.65040.03851042.8911

)(4)22()

2(2

333

2

212

K m W d h h R h R t

mc

B B P P P p ?=???

-????+??+????=-++??=---=ππθθθ

λθθ查阅相关资料知,橡皮在C

20的条件下测定导热系数为)/(23

.0~13.0K m W ?。 【思考题】

1. 应用稳态法是否可以测量良导体的导热系数?如可以,对实验样品有什么要求?实验方

法与测不良导体有什么区别?

2. 什么是镜尺法?镜尺法画切线利用了什么原理?

物理实验报告-稳态法导热系数测定实验

稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验,掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型,这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形,薄板的一个表面进行加热,另一个表面则进行冷却,建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成,包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键,“±”正负号转换键,“RST”复位键,“ON/OFF”开关键。 数据键:根据不同的功能对相应的数据进行加减,与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键:当“±”正负号转换键为“+”时,在原数据基础上加相应的数值;为“-”时,减相应的数值。“RST”复位键:复位数据,重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶,发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压,电位器对每路输出电压进行调整,作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料,搭建实验台,合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器),并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理,确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度,测试样3个点的厚度,取其算术平均值,作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率,通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度,根据主加热板的温度,调整电位器改变施加在副加热板的电压,使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时,认为达到稳态。此时,记录主加热板温度、试样两面温差。

不良导体的导热系数

热导系数的测量 学号:PB07210137 姓名:昝涛 实验名称:热导系数的测量 实验目的:了解热传导现象的物理过程,学习用稳态平板法测量不良导体的热传导系数 并用作图法求冷却速率 实验原理: 1. 导热系数 当物体内存在温度梯度时,热量从高温流向低温,谓之热传导或传热,传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积,比例系数为热导系数或导热率: dS dx dT dt dQ λ-= (1) 2. 不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品(橡胶板)夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由 加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔,热电偶可插入孔内测量温度,两面高低温度恒定为T 1 和T 2时,传热速率为 S h T T dt dQ 21--=λ (2) 由于传热速率很难测量,但当T 1 和T 2稳定时,传入橡胶板的热量应等于它向周围的散 热量。 这时移去橡胶板,使加热盘与铜盘直接接触,将铜盘加热到高于T 2约10度,然后再移去加热盘,让黄铜盘全表面自由放热。每隔30秒记录铜盘的温度,一直到其温度低于T 2,据此求出铜盘在T 2附近的冷却速率 dt dT 。 铜盘在稳态传热时,通过其下表面和侧面对外放热;而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比, ()()dt Q d h R R h R R dt dQ ' ++= 222ππ (3) 式中 dt Q d ' 为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体,有 dt dT mc di Q d =' (4) 这样,就有 ()()dt dT mc h R R h R R dt dQ 222++=ππ (5) 结合(2)式,可以求出导热系数 ()()dt dT h R T T R h R h c m A A B A A B +-+= )(22212 πλ铜铜

不良导体导热系数测量

实验题目:不良导体导热系数的测量 实验目的:了解热传导现象的物理过程,学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并利用作图法求冷却 速率。 实验原理:1、导热系数 导热系数是反映材料热性能的重要物理量。目前对导热系数的测量均建立在傅立叶热传导 定律的基础上。本实验采用稳态平板法。 根据热传导理论,当物体内部存在温度梯度时,热量从高温向低温传导: dx dt dT dt dQ ?-=λ 其中λ就是导热系数。 2、不良导体导热系数的测量 样品为一平板,当上下表面温度稳定在T 1、T 2,以h B 表示样品高度,S B 表样品底面积: B B S h T T dt dQ ?-=21λ 由于温差稳定,那么可以用A 在T 2附近的dT/dt (冷却速率)求出dQ/dt 。 根据散热速率与散热面积成正比,则 dt dQ h R h R dt dQ h R R h R R dt dQ P A A A A P A A A A A A ?++=?++=2)(2)2(ππ 又根据 dt dT mc dt dQ P ? = 有 dt dT h R T T R h R mch A A B A A B ?+-+= ))((2)2(212 πλ 从而通过测量以上表达式中的量得到导热系数。 实验装置:如图 实验内容:1、用游标卡尺测量A 、B 两板的直径、厚度(每个物理量测量3次); 2、正确组装仪器后,打开加热装置,将电压调至250V 左右进行加热至一定温度(对应T 1电

压值大约在3.20-3.40mV ); 3、将电压调至125V 左右,寻找稳定的温度(电压),使得板上下面的温度(电压)10分钟内 的变化不超过0.03mV ,记录稳定的两个电压值; 4、直接加热A 板,使得其温度相对于T 2上升10度左右; 5、每隔30s 记录一个温度(电压)值,取相对T 2最近的上下各6个数据正式记录下来; 6、整理仪器;数据处理。 实验数据: 几何尺寸测量: 表一:A 、B 板的几何尺寸测量结果 A 质量m=806g ,比热容c=0.793kJ/kgK 。 稳定温度(实际是电压值): T 1:3.09mV T 2:2.73mV 表二:自由散热温度(最接近T 2的12个) 数据处理: 将导热系数的公式变形为 dt dV h D V V D h D mch A A B A A B ?+-+= )2)(()4(2212 πλ A 盘直径的平均值 mm mm D D D D A A A A 89.129390 .12972.12904.1303321=++=++= B 盘直径的平均值 mm mm D D D D B B B B 46.129352 .12944.12942.1293321=++=++= A 盘厚度的平均值 mm mm h h h h A A A A 95.6392 .690.602.73321=++=++= B 盘厚度的平均值 mm mm h h h h B B B B 98.7300 .892.702.83321=++=++= 利用ORIGIN 作图得到dV/dt :

实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数

实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。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。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 【实验原理】 1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为1θ、2θ,根据傅立叶传导方程,在时间内通过样品的热量满足下式: t ΔQ ΔS h t Q B 21 θθλ?=ΔΔ (1) 式中λ为样品的导热系数,为样品的厚度,为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的直径为,则由(1)式得: B h S B d

导热系数实验报告

一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 三、【实验原理】 1、良导体(金属、空气)导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面(设θ1>θ2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式: h S t Q ) (21θθλ-=?? (3-26-1) 式中, t Q ??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ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,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B ,再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2,θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G ,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置

2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中,R B 为样品的半径,h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,θ1和θ2的值不变, 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中,在读得稳定时θ1和θ2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体(橡皮)的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。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。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法,在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C .H .Le e s .首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为 12θθ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式:S h t Q B 21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ,则半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? (2) 实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 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C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。

导热系数的测量实验报告

导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。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,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: B B h T T R t Q )(212 -???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品的传热速率。 这样,只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R

试验9不良导体导热系数的测定

实验九 不良导体导热系数的测量 导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量,导热是热交换三种(导热、对流和辐射)基本形式之一,是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一,要认识导热的本质和特征,需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构,热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移,在金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此,材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关,而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定。(粗略的估计,可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻) 1882年法国科学家J?傅里叶奠定了热传导理论,目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上,从测量方法来说,可分为两大类:稳态法和动态法,本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。 【实验目的】 1.了解热传导现象的物理过程 2.学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3.学习用作图法求冷却速率 4.掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】 YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品(硬铝、硅橡胶、胶木板)、塞尺等 【实验原理】 为了测定材料的导热系数,首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出:如果热量是沿着z 方向传导,那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截 面积ds ,以 dT dz 表示在z 处的温度梯度,以dQ dt 表示在该处的传热速率(单位时间内通过截面积ds 的热量),那么传导定律可表示成: 0 ( )z dT dQ ds dt dz λ=-? (9-1) 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导(即热传导的方向与温度梯度的方向相反)。(9-1)式中比例系数λ即为导热系数,可见热导率的物理意义:在温度梯度为

准稳态法测量比导热系数

准稳态法测量比导热系数

————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:

准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理; 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容,热传递的三种基本方式包括热传导,热对流和热辐射,而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法,但是该方法要求温度和热流量均要稳定,因而要求实验条件较为严格,从而导致了该方法测量的重复性,稳定性及一致性差,误差大。该实验采用一种新的测量方法,即准稳态方法,实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定,而不必通过长时间的加热达到稳态,就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质,在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量,叫做这种物质的比热,单位为J/(kg·K),它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下,单位时间内由单位面积传递的热量,单位为W/(m·K),即瓦/(米·开),它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用,如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性,开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数,有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面,由于道路结构处于不断变化的温度环境中,了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数,能够使人们精确的模拟道路结构温度场,了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数,有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪; 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套,(每套四块),加热板两块,热电偶两只, 导线若干,保温杯一个。 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型:一无限大 不良导体平板厚度为2R,初始温度为t0,现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c,则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点,上述模型的数学描述可表 达如下: R R x q c q c q c q c 图1理想的无限大

良导体导热系数的测定(讲义)

实验六 良导体导热系数的测定 热量传输有多种方式,热传导是热量传输的重要方式之一,也是热交换现象三种基本形式(传导、对流、辐射)中的一种。导热系数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,也是材料在设计应用时的一个依据。熔炼炉、传热管道、散热器、加热器,以及日常生活中水瓶、冰箱等都要考虑它们的导热程度大小,所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。 材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构,热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移,在金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。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。 测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测良导体导热系数的实验方法。稳态法是通过热源在样品内部形成一个稳定的温度分布后,用热电偶测出其温度,进而求出物质导热系数的方法。 一、实验目的 1、掌握稳态法测良导体导热系数的方法,观察和认识传热现象与过程,理解傅里叶导热定律。 2、了解冷却速率、散热速率、导热速率的关系,用作图法求冷却速率,计算良导体的导热系数。 3、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。 二、实验仪器 YBF -2型导热系数测试仪,杜瓦瓶(保温杯),测试样品(硬铝)、塞尺、游标卡尺、物理天平。 三、实验原理 1882年法国科学家傅立叶(J.Fourier )建立了热传导理论,目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上.测量的方法可以分为两大类:稳态法和瞬态法,本实验采用的是稳态平板法测量良导体的导热系数。 当物体内部有温度梯度存在时,就有热量从高温处传递到低温处,这种现象被称为热传导。傅立叶指出,在dt 时间内通过dS 面积的热量dQ ,正比于物体内的温度梯度,其比例系数是导热系数,即: dS dx dT dt dQ λ-= (1) 式中 dt dQ 为导热速率,dx dT 是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度,“—”号表示热量由高温区域 传向低温区域,λ即为导热系数,它表示物体导热能力的大小,在SI 中λ的单位是1 1 K m w --??。对于各向异性材料,各个方向的导热系数是不同的(常用张量来表示)。 如图3所示,A 、C 是传热盘和散热盘,B 为样品盘,设样品盘厚度为B h ,半径为B R ,上、下表 面的面积为2 B B S R π=。维持上下平面有稳定的温度21T T 和(侧面近似绝热),这时通过样品的导热速 率为:

良导体热导率的动态法测量

西安交通大学 大学物理仿真实验报告 姓名:李宗阳 班级:能动28 学号:2120301210

实验名称:良导体热导率的动态法测量 一.实验目的 1.通过实验学会一种测量热导率的方法。 2.解动态法的特点和优越性。 3.认识热波,加强对拨动理论的理解。 二.实验原理 实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题,令热量沿一维传播,周边隔热,如图1所示。根据热传导定律,单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A 的热量,即热流为 x T KA t q ??-=?? (1) 其中K 为待测材料的热导率,A 为截面积, 文中x T ??是温度对坐标x 的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化方向相反.dt 时间 内通过面积A 流入的热量 dxdt x T KA dt t q t q dq dx x x 22??=?? ??????? ????-??? ????=+ 图1 棒 元 若没有其他热量来源或损耗,据能量守恒定律,dt 时间内流入面积A 的热量等 于温度升高需要的热量dt t T Adx c dq ?? ? ????=ρ,其中C ,ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热平衡方程为

dx x T K t T dx C 22??=??ρ (2) 由此可得热流方程 22x T D t T ??=?? (3) 其中ρC K D =,称为热扩散系数. 式(3)的解将把各点的温度随时间的变化表示出来,具体形式取决于边界条件,若令热端的温度按简谐变化,即 t T T T m ωsin 0+= (4) 其中T m 是热端最高温度,为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却, 保持恒定低温o T ,则式(3)的解也就是棒中各点的温度为 )sin(202x t e T x T T D x m D ωωαω-?+-=- (5) 其中T 0是直流成分,α是线性成分的斜率,从式(5)中可以看出: 1) 热端(x=0)处温度按简谐方式变化时,这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播,称为热波. 2) 热波波速:ωD V 2= (6) 3) 热波波长:ωπλD 22= (7) 因此在热端温度变化的角频率已知的情况下,只要测出波速或波长就可以计算出 D .然后再由ρ C K D =计算出材料的热导率K .本实验采用.式(6)可得 ωρC K V 22= 则T C V f C V K πρπρ4422== (8) 其中,f 、T 分别为热端温度按简谐变化的频率和周期.实现上述测量的关键是: 1) 热量在样品中一维传播.2) 热端温度按简谐变化.

《不良导体导热系数的测定》实验课件文字稿(精)

《不良导体导热系数的测定》实验课件文字稿 一、实验目的 1.感知热传导现象的物理过程。 2.学习用稳态法测量不良导体的导热系数。 3.学习测量冷却速率的方法 4.学习用温差电偶测量温度的原理和方法。 二、实验仪器和用具 导热系数测定仪(FD —TC —II )、橡皮圆板(待测样品)、温差电偶(2对)、保温杯、数字式电压表(FPZ —II )、9Q 连接线、电子秒表、游标卡尺、电子天平、冰块。 三、实验原理 1、傅里叶热传导方程 导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量。测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。 如图(一)所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为S ,高为h 。经加热后,上端温度为1T ,下端温度为2T ,12T T >,热量从上端流向下端。若加热一段时间后,内部各个截面处的温度达到恒定,此时虽然各个截面的温度不等,但相同的时间内流过各截面的热量必然相等(设侧面无热量散失),这时热传递达到动态平衡,整个导体呈热稳定状态。法国数学家,物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程 12T T Q S t h λ-?=? (1) Q ?是t ?时间内流过导体截面的热量, Q t ??叫传热速率。比例系数λ就是材料的导热系数(热导率),单位是()w m K 瓦 米开 。在此式中,S 、h 和1T 、2T 容易测得,关键是如何测得传热速率 Q t ??。 2、用稳态法间接测量传热速率 如图二所示,将待测样品夹在加热盘与散热盘之间,且设热传导已达到稳态。由(1)式可知,加热盘的传热 速率为 图(一) 2T 1T T T 加热铜盘 待测样品 散热铜盘 图二

不良导体导热系数的测定实验报告

非金属固体材料导热系数的测量 2004/04 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使 用的方法,国家对此制定了标准——“非金属固体材 料导热系数的测定——热线法”(GB/T 10297-1998)。 基本原理如图1所示,在匀质均温的物体内部放置一 电阻丝,即热线,对其以恒定功率加热时,热线及其 附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系,可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述] 由热传导理论[2]可知,恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时,可以用一维柱坐标系的 热传导方程对物体的温度场进行描述:r r r t ??+??=??θθθα1122 (1) 边界条件为: 00 =r θ(t =0,r ≥0),0=∞r θ(t >0,r =∞),const.π0 =??-==r r q θ λ(t >0,r =0)[3] (2) 根据热传导方程和边界条件得到解为:t t e q t t r r t d π40 42? - = αλ θ (3) 其中各物理量含义为,t :热线的加热时间,单位为s ;r :距热线的距离,单位为m ;q :热线单位长度的加热功率,单位为W/m ;t r θ:加热时间t ,距离热线距离r 处的温升,单位为K ;α:试样的热扩散率,单位为m 2/s ;λ:试样的导热系数,单位为W/(m ·K ),对于非金属固体材料,该系数一般小于2 W/(m ·K )。 假设t r α42 →0,即r →0或αt →∞,利用Euler 公式,忽略展开后二次项以后的各项。如果 在不同时间t 1、t 2,测的同一点r 处的温升为1t r θ、2 t r θ,则:12ln π41 2 t t q t t r r λ θθ= - (4) 根据(4)可以得到试样的导热系数 ()()1 2 1 2 1212ln πL 4ln π4t t t t r r r r t t IU t t q θθθθλ-=-= [4] (5) (5)式中,I 、U 分别热线的通电电流(单位为A )和电压(单位为V ),L 为有效加热长度(单位为m )。因此,当等时间间隔测量试样的温升时,ln(t 2/t 1)和1 2 t t r r θθ-呈线性关系,据此计算试 样的导热系数。 [实验设计] 实验装置如图2所示。试样为环氧树脂,有效长度220mm ,直径28mm 。加热丝为钨杆,直径1mm ,R Wu =0.01650Ω,加热电流3~5A 。温度测量利用电阻——温度系数(αR =0.00393℃ 图1、热线法测定非金属固体材料导热系数 的原理示意图 试样 热线

8讲义(导热系数)

注意:本次实验B211有三种实验仪器,座位号1—10预习报告参考《讲义一》内容,座位号11—22预习报告参考《讲义二》内容,座位号23—24预习报告参考《讲义一》内容!

讲义一:用稳态法测量不良导体的导热系数 【实验目的】 1、 感知热传导现象的物理过程; 2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数; 3、学习利用物体的散热速率测量传热速率。 【实验仪器及装置】 FD-TC-B 型导热系数测定仪、游标卡尺及电子天平等 如图1所示FD-TC-B 型导热系数测定仪,它是由电加热器、铜加热盘C ,橡皮样品盘或胶木样品盘B ,铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。 【实验原理】 1、傅立叶热传导方程 傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的基本规律。该方程式指出:在物体内部,垂直于热传导方向彼此相距B h ,温度分别是121θθθ(和>)2θ的两个平行平面之间,当平面的面积为S 时,在t δ时间内通过面积S 的热量Q δ满足关系: 2 1 2124B B B Q S d t h h θθθθδλλπδ--== (1) 图1 FD-TC-B 型导热系数测定仪

即热流量 t Q δδ(单位时间传过的热量)与导热系数λ(又称热导率)、传热面积2 4 B d S π= 、距离B h 以及温差12θθ-有关。而λ的物理意义为相距单位长度的两 个平面间的温度相差一个单位时的每秒通过单位面积的热量。不良导体的导热系数一般很小,例如,矿渣棉为,石棉板为,松木为~,混凝土板为,红砖为,橡胶为等。良导体的导热系数通常比较大,约为不良导体的321010~倍,如铜为× 210。以上各量单位是11W m K --。 2、实验装置 如图1所示,固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 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 ,样品盘B 上放置一个圆盘状加热盘C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度21θθ和不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量 t Q δδ。 实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度21θθ和后,将样品B 抽去,让加热盘C 与散热盘P 接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的2θ值10℃或10℃以上后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度θ随时间t 的下降情况,求出散热盘在2θ时的冷却速率2 θθθ=??t ,则散热盘P 在2θ时的散热 速率为: 2 Q mc t t θθδθ δ=?=? (2) 其中m 为散热盘P 的质量,c 为其比热容。在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积的修正: 2 2 22) (22) P P p P P p R R h Q mc t t R R h θθππδθδππ=+?=?+( (3)

稳态法测量材料的导热系数

稳态法测量材料的导热系数 2015-04-02 导热系数是表征材料导热能力大小的量。导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料的两侧温度相差1°C时,在单位时间内,通过1m2所传导的热量。 材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。由于导热性能有许多种测量方法,事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征,以及使用温度的大致范围,以选用正确的测量方法。本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义,热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。 稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后,通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。稳态法测导热系数的基本原理图及公式为: λ=Qd/A△T;单位:W/(m?K) 注意:稳态条件下;材料应为单一均质的干燥材料。 Q:热流稳定后,通过试样的热流量(w); d:试样厚度(m); A:试样面积(m); :温度差(℃)。

热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。将样品插入两个平板间,在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流,使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流,传感器在平板与样品之间和样品接触。热流法适用于低导热材料,测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试,在达到温度梯度稳定期后,测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。适合测试导热系数范围为0.001~50W/m?K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。 护热平板法 护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似,保护热板法的测量原理如下图所示。热源位于同一材料的两块样品中间。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。当试样上、下两面处于不同的稳定温度下,测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度,应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。 导热系数λ=Qd/A((t2-t1)+(t4-t3)) Q:热流稳定后,通过试样的热流量; d:试样厚度; A:试样面积; t2-t1/t4-t3:温度差。 该法误差较小且可用于测定低温导热系数材料(0.02-2.0W/m?K)如塑料、纤维、陶瓷基板、氧化铝瓷、空心玻璃、各种保温材料等匀质板状材料。试样应是均质的硬质材料,两表面应平整光滑且平行。在用该法对不良导体的导热系数测定时,不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。

稳态法测导热系数

五、数据处理 1、在内容三所测数据中,选取稳态温度附近10组数据,用逐差法计算散热盘C在稳态T2附近的冷却速率Vc。 根据选取稳态温度附近10组数据 由逐差法计算有Vc={(44.7-42.2)+(44.3-41.6)+(44.1-41.2)+(43.3-40.8)+(42.6-40.5)}/(5*2.5)=1.048℃/min=0.0175℃/s 2、计算出待测样品B的导热系数λ: λ={mch B(R c+2h c)/2πR b2 (T1-T2)(R c+h c)}*(△T/△t) B R c=(9.960+9.958+9.980+9.956+9.942)/(2*5)=4.9796cm=4.9796*10^-2m hc=(0.984+0.986+0.982+0.986+0.982)/5=0.984cm=9.84*10^-3m R b=(9.966+9.950+9.948+9.958+9.956)/(2*5)=4.9778cm=4.9778*10^-2m T1=53.1℃T2=42.3℃ △T/△t=Vc=0.0175℃/s λ={0.669*385*8.332*10^-3*(4.9796*10^-2+2*9.84*10^-3)/2*3.14*(4.9778*10^-2)2*(53.1-42.3) ( 4.9796*10^-2+9.84*10^-3)}*0.0175=0.261 W/m*K 3、求出环氧盘λ的不确定度,给出结果表达式。(只考虑冷却速率误差) 由于比较复杂,过程见实验报告纸。 可得结果为Uλ=0.036 W/m*K∴λ=0.261±0.036 W/m*K 4、分析误差原因。 测量盘的直径与厚度时由于是人为读数,有读数误差,再有环境误差,盘的质量可能由于多次实验有磨损存在误差等等。 5、所有测量数据都要列表。

导热系数的测定_评分标准(精)

“导热系数的测定”实验报告评分标准 第一部分:预习报告(20分) 一、实验目的 1.掌握用稳态法测量不良导体的导热系数的方法。 2.了解物体散热速率和传热速率的关系。 3.理解温差热电偶的特性。 二、实验仪器 发热盘,传热筒,杜瓦瓶,温差电偶,待测橡胶样品 ,数字电压表,停表。 三、实验原理 1 ?热传导定律:—— S ; 2 ?导热系数概念:等于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 过单位面积所传递的热量,单位是瓦?米-1?开-1( W- m1? K1),导热系数是反映材料的导 热性能的重要参数之一; 3?稳态法(通过控制热源传热在样品内部形成稳定的温度分布,而进行的测量)测不良导体的导热系数的方法; 4散热板自由冷却与稳态时,由于散热面积不同因而要引入修正系数: 2 R c 2:';R c h e _ 1 D e 4h C 2二R C 2「R C h C2 D e 2h c

5 ?温差热电偶的工作原理 四、实验内容和步骤 1橡胶盘,黄铜盘直径,高度D B,h B,D c,h c,黄铜盘质量m,数据由实验室提供。 2、稳态法测传热板,散热板的温度哥0,20; 3、测量散热板(黄铜盘)的冷却速率22^,计算■ o 第二部分:数据采集与实验操作(40分) 有较好的动手能力,能够很好解决实验过程中出现的问题,数据采集记录完整准确,操作过程无误(35-40分); 有一定的动手能力,能够解决实验过程中出现的一般问题,数据采集记录完整,操作过程无大的违规(35-20); 动手能力较差,难以解决实验过程中出现的一般问题,数据采集与记录不完整、有偏差,有 违规操作(0-20分)o 操作要点: 1 导热系数测定仪的使用(数字电压表调零,热电偶接线,); 2.构建稳态环境,保持哥°在 3.50mV ±0.03mV范围内,测量匕0 ; 3.测量黄铜盘的冷却速率。保持稳态时散热板的环境: a .电风扇一直工作。 b. Io附近的冷却速率。

大学物理实验不良导体的热导系数的测量讲义

dQ dt 不良导体的热导系数的测量 实验简介材料的导热系数是反映材料热性能的物理量,导热机理在很大程度上取决与它的微观结构,热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关,而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。测量导热系数的方法比较多,但可以归并为两类基本方法:一类是稳态法,另一类是动态法。用稳态法时,先用热源对测试样品进行加热,并在样品内部形成稳定的温度分析,然后进行测量。而在动态法中,待测样品中的温度分布是随时间变化的,例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 实验目的了解热传导现象的物理过程,学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷 却速率。 实验仪器待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘(带隔热层)、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、 0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等实验原理 1,导热系数 当物体内存在温度梯度时,热量从高温流向低温,谓之热传导或传热,传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积,比例系数为热导系数或导热率: dQ dT dS (1) dt dx 2,不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S的平板形样品(橡胶板)夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔,热电偶可插入孔内测量温度,两面高低温度恒定为T1 和T2 时,传热速率为 2)

由于传热速率很难测量,但当T1 和T2 稳定时,传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热 量。这时移去橡胶板,使加热盘与铜盘直接接触,将铜盘加热到高于T2约10 度,然后再移去加热盘,让黄铜盘全表面自由放热。每隔30 秒记录铜盘的温度,一直到其温度低于T2,据此求出铜盘在T2 附近的冷却速率dT。 dt 铜盘在稳态传热时,通过其下表面和侧面对外放热;而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比, dQ R R 2h dQ (3) dt R 2R 2h dt () 式中dQ为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体,有 dt

稳态法测量不良导体的导热系数(讲义)

稳态法测量不良导体的热导率 热导率(又称导热系数)是反映材料热传导性能的重要物理量。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构.热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此,某种材料的热导率不仅与材料的物质种类密切相关,而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系.在科学实验和工程设计中,所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定. 【实验目的】 (1)掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的热导率; (2)掌握用作图的方法求冷却速率; (3)学习温度传感器的应用方法; 【实验仪器】 FD-TC-B型导热系数测定仪(如图1所示它由电加热器、铜加热盘C,橡皮样品圆盘B,铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成)、分度值0.02mm游标卡尺、量程3000g,分度值为0.1g电子天平、量程30cm,分度值为1mm钢板尺、秒表等. 图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图 【实验原理】 1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的热导率,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。

设稳态时,样品的上下平面温度分别为1T 、2T ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式: S h T T t Q B 21-=??λ (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状,设圆盘样品的半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h T T t Q πλ-=?? (2) 实验装置如图1所示,固定于底座的三个支架上,支撑着一个铜散热盘P ,散热盘P 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C ,其面积也与样品B 的面积相同,加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热,可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度1T 和2T 不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热量与散热盘P 向周围环境散出的热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2T 时的散热速率来求出样品的传热速率 t Q ??。 实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度1T 和2T 后,将样品B 抽去,让加热盘C 与散热盘P 接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的2T 值C 5后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度T 随时间t 的下降情况,用作图的方法求出散热盘在2T 时的冷却速率 2 T T t T =??,则散热盘P 在2T 时的散热速率为: 2 T T t T mc t Q =??=??散 (3) 其中m 为散热盘P 的质量,c 为其比热容。 在达到稳态的过程中,P 盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正: ) 22() 2(2 2 2 P P P P P p T T h R R h R R t T m c t Q ππππ++??=??=散 稳态时样品B 的传热速率等于散热盘P 的散热速率,即:

相关主题