华科大大学物理实验 稳态法测固体的导热_系数实验.ppt

* 科技楼120 陈劲 预备问题 1.什么叫稳定导热状态（简称稳态）？如何判定实验达到了稳定导热状态？ 2.待测样品盘是厚一点好，还是薄一点好？为什么？ 3.如何根据冷却曲线求出温度T2附近的冷却速率？ * 背景介绍 热传导是热量传递的三种基本形式之一，是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下由于温差引起的热量的传递过程，其微观机制是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。在金属中自由电子起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。 热传导现象广泛存在，如房屋的墙壁时刻进行热传导过程，水杯壁、衣服、锅炉、过热器、冷凝器，热力管道，航天器隔热瓦、电子芯片散热片等等都存在热传导现象。 * 法国科学家傅里叶（J.B.J.Fourier 1786——1830）根据实验得到热传导基 本关系，1822年在其著作《热的解析理论 》中详细的提出了热传导基本定律，指出 导热热流密度（单位时间通过单位面积的热量）和温度梯度成正比关系。数学表达式为： 此即傅里叶热传导定律，其中 为热流密度矢量（表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量）， 是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， 在数值上等于每单位长度温度降低 一个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是W/(m ·K )。 * 傅里叶 某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导热系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方法来精确测定。 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。根据国标GB4272—92规定，平均温度不高于 时导热系数不大于0.12W/(m?K)的材料才能称为保温材料。导热系数小于 的材料称为超级保温材料。 * 散热片 泡沫隔热板 测量导热系数的方法分稳态法和非稳态法两大类 稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。 非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数。 测量导热系数方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法。本实验采用稳态平板法测量物体的导热系数，该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性。 * 实验目的 1．了解热传导现象的物理过程。 2．了解物体散热速率和传热速率的关系。 3．学会用铂电阻型传感器测定温度。 4．学习一种测量材料导热系数的实验方法。 * 实验原理 热传导达到稳定状态时 根据傅里叶热传导定律 有： 导热系数实验装置示意图 （1） * * 热传导达到稳定状态时样品盘B的热流量=散热黄铜盘C的散热速率 即有: （2） 物体的散热速率与冷却速率之间的关系 （3） m 是散热黄铜的质量，c 是黄铜比热容。 考虑到散热盘C的上表面是被样品盘B覆盖着， 通过样品盘B的热流量应和散热黄铜盘C向侧面 和下面的散热速率相同，修正（3）式，即有： 单独测量 (4) * * 由（1）、（2）、（4）式得导热系数： 实验仪器 TC-3B 型稳态法导热系数测定仪 测试仪表 测试架 * 测试仪表 * PID智能温度控制器设定温度 控制器面板布置图（见图）：例如需要设置加热温度为60℃，具体操作步骤如下： 1．先按设定键SET 0.5秒，进入温度设置数。数字闪烁的位数即是可以进行调整的位数。 3．按上调键或下调键确定这一位数值，按此办法，直到各位数值符合设定温度值。 4．再按设定键SET 1次，设定工作完成。如需要改变温度设置，只要重复以上步骤就可。 * 测试架 * 样 品 环氧盘 硅橡胶盘 * 实验内容 一、测量散热盘C和待测样品B的直径、厚度； 用游标卡尺，分别在不同位置测五组。 * * 二、固体导热系数的测量： 1．连接导线：实验时，在仪器机箱的后部根据指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三