非良导体导热系的测量.doc

非良导体导热系数的测量 加灰色底纹部分是预习报告必写部分 导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导、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，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。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。 [实验目的] 了解热传导现象的物理过程，学习用热交换法测量良导体的导热系数。 [实验仪器] FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台，游标卡尺。 1、热导率测量的实验装置如图1所示 2、FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台面板如图2所示 [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不良导体的导热系数。 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： （1） 式中为传热速率，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是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI中λ的单位是W·m-1·K-1。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4所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的T1和T2（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为 （2） 式中hB为样品厚度，SB=πR2B为样品上表面的面积，（T1-T2）为上、下平面的温度差，λ为导热系数。 在实验中，要降低侧面散热的影响，就要减小h。因为待测平板上下平面的温度T1和T2是用加热圆盘C的底部和散热铝盘A的温度来代表，所以就必须保证样品与圆盘C的底部和铝盘A的上表面密切接触。 实验时，在稳定导热的条件下（T1和T2值恒定不变），可以认为通过待测样品B盘的传热速率与铝盘A向周围环境散热的速率相等。因此可以通过A盘在稳定温度T2附近的散热速率，求出样品的传热速率。 在读取稳态时的T1和T2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T2高5℃，再移去加热盘C，让铝盘A通过外表面直接向环境散热（自然冷却），每隔一分钟测一次温度，直到比低5℃，然后以时间为横坐标，以为纵坐标，作A的冷却曲线如图5所示，过曲线上的点（t2，T2）作切线，则此切线的斜率就是A在时的自然冷却速率。 对于铝盘A，在稳态传热时，其散热的外表面积为，移去加热盘C后，A盘的散热外表面积为，考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例，所以有 （3） 式中和分别为A盘的半径和厚度。 根据热容的定义，对温度均匀的物体，有 （4） 对应铝盘A，就有，和分别为A盘的质量和比热容，将此式代入（3）中，有 （5） 比较式（5）和（2），便得出导热系数和公式： （6） 、、、、都可以由实验测量出准确值，为已知常数，，因此，只要求出，就可求出导热系数。 [实验步骤] （1）建立稳恒态 如图2所示，安装好实验装置，连接好电缆线，打开电源开关和加热开关，温度指示选择换档开关旋至“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约在50℃到60℃之间的任意数值。 将“温度指示选择转换开关”指向“散热盘温度” 档，观察A盘的温度变化，若A盘的温度三分钟之内的变化小于或等于0.1℃，则可认为达到稳恒态，记下此时A盘和C盘的温度T2和T1。 （2）测A盘在T2时的自然冷却速度 在读取稳态时的T1和T2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T2高5℃，再移去加热盘C，关闭加热开关，将“温度指示选择转换开关”拨向“散热盘温度” 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，直到A盘温度比T2低5℃。用描点法作出A的冷却曲线，求出A盘在T2附近的冷却速率。 （3）用游标卡尺分别测出待测板B的厚度，以及A的直径和厚