T不良导体导热现象的研究05.doc

实验名称 不良导体导热现象的研究 前言 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。热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物体称为不良热导体。导热系数是表征物质热传导性质的物理量，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。 导热系数是描述材料性能的一个重要参数，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依据，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。因此，研究和测定材料的导热系数有着重要的实际意义。 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；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。 本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。 教学目标 掌握用稳态法测材料导热系数的方法。 了解物体散热速率和传热速率的关系 了解用热电转换方式进行温度测量的方法。 教学重点 稳态法的理解。 教学难点 横截面积 厚度 图1 导热系数测定仪的正确使用。 实验原理 傅立叶热传导定律 当物体内部各处温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传向较低处，这种现象称为热传导。早在1882年，法国科学家丁·傅里叶就提出了热传导定律，目前各种测量导热系数的方法都建立在傅里叶热传导定律基础上。 设一粗细均匀的圆柱体横截面积为，厚度。经加热后，上端温度为，下端温度为，，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。根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式： （1） 式中叫传热速率，比例系数为该物体的导热系数（热导率），在数值上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。 用稳态法间接测量传热速率 利用（1）式测量材料的导热系数，需解决两个关键的问题：一个是如何在材料内造成一个温度梯度并确定其数值；另一个是如何测量材料内由高温区向低温区的传热速率。 发热铜盘A 加热 待测样品B 传热 散热铜盘C 散热 厚度 图2 传热示意图 为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜盘之间，如图2，使两块铜盘分别保持在恒定温度和，就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。若样品厚度远小于样品直径，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜盘各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和两块铜盘的温度、，就可以确定样品内的温度梯度。当然这需要铜盘与样品表面紧密接触无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。 因此，为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两块铜盘都加工成等大的圆形。 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盘加热，热量通过样品传到低温侧的散热铜盘，散热铜盘则要将热量不断地向周围环境散出。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，此时散热铜盘的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量散热铜盘在稳态温度下的散热速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。 如图2所示，待测样品夹在发热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，发热盘的传热速率为： （2） 其中为样品的半径，为样品的厚度。 铜板的散热速率与冷却速率（