导热系数的测定[精选].doc

导热系数的测定 热传导是热量交换（热传导、对流、辐射）的三种基本方式之一，导热系数（又称热导率）是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。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，某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。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。 材料又分为良导体和不良导体两种。对于良导体一般用瞬态法测量其导热系数，即通过测量正在导热的流体在某段时间内通过的热量。对于不良导体则用稳态平板法测量其导热系数。所谓稳态即样品内部形成稳定的温度分布时即为稳态。本实验就是用稳态法测量不良导体的导热系数。 【实验目的】 1. 了解热传导现象的物理过程，巩固和深化热传导的基本理论； 2. 学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数； 3. 学会用作图法求冷却速率； 4. 了解实验材料的导热系数与温度的关系。 【实验原理】 1. 导热系数 根据1882年傅立叶（J.Fourier）建立的热传导理论，当材料内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传向低温处，这时，在时间内通过面积的热量，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是热导系数，即： （1） 式中为传热速率，是与面积相垂直的方向上的温度梯度，负号表示热量从温度高的地方传到温度低的地方，是导热系数。国际单位制中，导热系数的单位为W·m－1·K－1。 2. 用稳态平板法测不良导体的导热系数 设圆盘P为待测样品，如图1所示，待测样品P、散热盘B二者的规格相同，厚度均为、截面积均为（，为圆盘直径），上下两面的温度为和保持稳定，侧面近似绝热，则根据（1）式可以知道传热速率为： （2） 为了减小侧面散热的影响，圆盘P的厚度不能太大。由于待测圆盘的上下表面的温度和是用加热盘A的底部和散热盘B的顶部的温度来表示的，所以必须保证样品与加热盘A和散热盘B紧密接触。 图1、导热系数测定原理 所谓稳态法就是获得稳定的温度分布，这时温度和也就稳定了。当和的值稳定不变时，这时可以认为通过样品P的传热速率与散热盘B在温度为时的散热速率相当。为了求出这时的传热速率，可以先求散热盘在温度时的散热速率。实验中，在读得稳定的和时，即可将样品移去，然后将加热盘A与散热盘B直接接触，当B盘的温度上升了大约10℃后，将加热盘A移开，让B盘自然冷却, 每隔一定的时间间隔采集一个温度值，由此求出铜盘B在温度附近的冷却速率。由于物体的冷却速率与它的散热面积成正比，考虑到铜盘散热时，其表面是全部暴露在空气中，即散热面积是上、下表面与侧面，而实验中达到稳态散热时，铜盘的上表面却是被样品覆盖着的，故需对散热速率加以修正。修正后，铜盘P的散热速率为： （3） 这里表示在自然冷却时的散热速率，它和冷却速率之间的关系为： （4） 和分别为待测样品的质量和比热容，根据（2）（3）（4）式，可以求出导热系数的公式为： （5） 式中，，都可由实验测出准确值，由此可见，只要求出，就可以求出导热系数。 根据热电偶的工作原理，热电偶是将一定的温差转化为电动势而显示出来： （6） 这里为温差系数，根据上面式子可以知道 （7） 将（7）式代入（5）式，得到 （8） 【实验仪器】 TF－3型导热系数测试仪；调压器；热电偶；冰筒；数字电压表；双刀双掷电键；游标卡尺；铜质厚底圆筒；铜盘；木架；待测圆盘形样品；硅油等。 【实验内容与步骤】 1. 熟悉各种仪表的使用方法，并按图2所示连接好仪器。 2. 将接触调压器调至200V，接通电源约30分钟后，降至150V，然后每隔5分钟读一次温度示值，实验过程中实际上读出的是温差电动势的示值E，若在十分钟内热电偶的示值不变，则认为达到稳定状态（数值在0.02mV范围内波动视为不变），记录此时的 、。 3. 样品P，将加热盘直接跟散热盘接触，待散热盘的温度比上升了10℃（热电偶的示值约增加0.5mV）左右后，移去加热盘A，让散热盘P在空气中自然冷却，每隔30秒读一次温度的示值（热电偶读数E），直至散热盘P的温度降至比低10℃左