实验 动态法测定良导体的热导率和温度的测量和温度计的设计.docxVIP

动态法测定良导体的热导率和温度的测量和温度计的设计 实验一：动态法测定良导体的热导率 【实验简介】 在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准。而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差。 【实验目的】 通过实验学会一种测量热导率的方法。 解动态法的特点和优越性。 认识热波，加强对波动理论的理解。 【实验仪器与用具】 仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的圆棒状样品（本实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成，见示意图4-1。样品中热量将只沿轴向传播，在任意一个垂直于棒轴的截面上各点的温度是相同的，于是，只要测量轴线上各点温度分布，就可确定整个棒体上的温度分布。温度的测量采用热电偶列阵．将热电偶偶端均匀插在棒内轴线处，两个相邻偶间距离均为2cm，为保持棒尾的温度T0恒定，以防止整个棒温起伏，用冷却水冷却。 本实验仪器结构框图见图4-2，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分。本仪器由两种工作方式：手动和程控。他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元。前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图。 图4-1 主机结构示意图 图4-2 热导率动态测量以结构框图 【实验原理】 为使问题简化，令热量沿一维传播，故将样品制成棒状，周边隔热．取一小段样品如图4-3．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 （4-1） 图4-3 棒元 其中k为待测材料的热导率，A为截面积，文中是温度对坐标x的梯度。将式（4-1）两边对坐标取微分有（4-2） 据能量守恒定律，任一时刻棒元的热平衡方程为 （4-3） 其中C，ρ分别为材料的比热容与密度，由此可得热流方程 （4-4） 其中，称为热扩散系数。 式（4-4）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 （4-5） 另一端用冷水冷却，保持恒定低温T0，则式（4-5）的解也就是棒中各点的温度为 （4-6） 其中T0是直流成分，是线性成分的斜率，从式（4-6）中可以看出： a 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。 b热波波速： （4-7） c 热波波长： （4-8） 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。然后再由计算出材料的热导率k。本实验采用式（4-7）可得 则 （4-9） 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：a 热量在样品中一维传播，b 热端温度按简谐变化。 【实验内容】 测量铜棒和铝棒的导热率。（先测铜棒后测铝棒） 实验前检查各处连接管路是否有堵塞，而后才能打开水源。开始实验前需将仪器的盖子打开，并仔细阅读上面的注意事项。 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定（将阀门稍微打开即可） 1) 热端水流量较小时，待测材料内温度较高，水流较大时，温度波动较大。因此热端水流要保持一个合适的流速，阀门开至1/3开度即可。 2）冷端水流量要求不高，只要保持固定的室温即可。 3）调节水流的方法是保持电脑操作软件的数据显示曲线幅度和形状较好为好。 4）两端冷却水管在两个样品中是串连的，水流先走铝后走铜。一般先测铜样品，后测铝样品,以免冷却水变热。 5）实际上不用冷端冷却水也能实验，只是需要很长时间样品温度才能动态平衡。而且环境温度变化会影响测量。 打开电源开关，主机进入工作状态 “程控”工作方式 1) 完成前述实验步骤，调节好合适的水流量。因进水电磁阀初始为关闭状态，需要在测量开始后加热器停止加热的半周期内才调整和观察热端流速。 2) 打开操作软件。 3) 接通电源。 4)在控制软件中设置热源周期T（T一般为180s）。选择铜样品或铝样品进行测量。测量顺序最好先铜后铝。 5)设置x,y轴单位坐标。x方向为时间，单位是秒，y方向是信号强度，单位为毫伏(与温度对应)。 6)在“选择测量点”栏中选择一个或某几个测量点。 7)按下“操作”栏中“测量”按钮，仪器开始测量工作，在电脑屏幕上画出T~t曲线簇，如下图所示。上述步骤进行40分钟后，系统进入动态平衡，样品内温度动态稳定。此时按下“暂停”，可选择打印出曲线，或在界面顶部“文件”菜单中选择对应的保存功能，将对应的数据存储下来，供数据测量所用。“平滑”功能尽量不要按，防止信号失真。 8）实验结束后，按顺序先关闭测量仪器，然后关闭自来水，最后关闭电脑。这样可以防止因加热时无水冷却导致仪器损坏。 【注意事项】 为防止因加热时无水冷却导致仪器损坏，