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1、不良导体热导率的测定实验简介：导热系数(又叫热导率)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。材料是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。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，而且还与材料的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。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。测固体材料热导率的实验方法一般分为
2、稳态法和动态法两类。本实验的目的是了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。实验原理：图 11、 导热系数1882 年法国科学家傅里叶(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里叶热传导定律的基础之上的。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。傅里叶指出，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
3、示热量由高温区向低温区域， 是导热系数，表示物体导热能力的大小。在 SI 中 的单位是Wm-1K-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)。2、 不良导体导热系数的测量图 1 是不良导体导热系数测量装置的原理图。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 R2B 为样品上表面的面积， (T1-T2)为上、下平面的温度差， 为导热系数。在实验中，要降低侧面散热的影响，就需要减小 h。因为待测平板上下平面的温度 T1和 T2 是用传热圆筒 A 的底部和散热铜盘 C 的温度来代
4、表，所以就必须保证样品与圆筒 A的底部和铜盘 C 的上表面密切接触。实验时，在稳定导热的条件下(T 1 和 T2 值恒定不变)，可以认为通过待测样品盘 B 的传热速率与铜盘 C 向周围环境散热的速率相等。因此可以通过 C 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 C 盘直接与传热筒 A 底部的下表面接触，加热铜盘 C，使 C 盘温度上升到比 T2 高 10左右，再移去传热筒 A，让铜盘 A 通过外表面直接向环境散热(自然冷却)，每隔一段时间记下相应的温度值，求出 C 盘在 T2 附近的冷却速率 。对于铜盘 C，在稳态传热
5、时，其散热的外表面积为 ，移去传热筒 A 后，C 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 RC 和 hC 分别为 C 盘的半径和高度。根据热容的定义，对温度均匀的物体，有：(4)对应铜盘 C，就有 。m 铜 和 c 铜 分别是 C 盘的质量和比热容，将此式代入式(3)中，有：(5)比较式(5)和(2)，便得出导热系数的公式：(6)m 铜、h B、R B、h C、R C、T1 和 T2 都可由实验测量出准确值，本实验所用黄铜盘比热容为0.3709kJ/kgK,因此，只要求出 , 就可以求出导热系数 。实验仪器:本实验的主要仪器有:主仪器自耦调压器数字电
6、压表杜瓦瓶游标卡尺电子秒表主仪器：实际照片和程序中的显示实际仪器 仿真仪器操作提示:拖动桌面上的橡胶盘可拖至主仪器的支架上点击红外灯可调节红外灯的高度，在调节前应移除红外灯上的连线点击保温筒可调节保温筒的位置，在调节前应将红外灯移至最大位置，并且同时移除加热铜盘上的连线点击双刀双掷开关，可改变开关的位置自耦调压器: 实际照片和程序中的显示 实际仪器 仿真仪器操作提示：鼠标左键或右键点击调压旋钮，调节输出电压。数字电压表: 实际照片和程序中的显示实际仪器 仿真仪器操作提示：点击电源开关可打开或关闭数字电压表点击大视图中的相关按钮，可进行相应的设置及调节(按下调零按钮，可点击调零旋钮对其进行调零；
7、调零后即可选择合适的档位进行测量)杜瓦瓶:实际照片和程序中的显示实际仪器 仿真仪器游标卡尺:实际照片和程序中的显示实物照片 仿真仪器操作提示：可以拖动副尺部分，改变测量卡口张开的大小可以用鼠标左键或者右键点击锁定旋钮，来锁住或者解锁副尺电子秒表:实际照片和程序中的显示实物照片 仿真仪器操作提示：鼠标点击开始暂停按钮可以开始或者暂停计时鼠标点击复位按钮可以对秒表复位实验内容：本实验的主要内容为测量橡胶盘的导热系数。1观察和认识传热现象、过程及其规律。（1）用游标卡尺测量铜盘和橡胶盘的直径及厚度，多次测量，并求出平均值。（2 ） 熟悉各仪表的使用方法，按图 1 连接好仪器。（3 ）接通自偶调压器电
8、源，缓慢转动调压旋钮，使红外灯电压逐渐升高，为缩短达到稳定态的时间，可先将红外灯电压升到 200V 左右，大约 5min 之后，再降到 110V 左右，然后每隔一段时间读一次温度值，若 10min 内 T1 和 T2 的示值基本不变，则可以认为达到稳定状态。记下稳态时的 T1 和 T2 值。随后移去橡胶盘 B，让散热 C 盘与传热筒 A 的底部直接接触，加热 C 盘，使 C 盘的温度比 T2 高约 10左右，把调压器调节到零电压，断开电源，移去传热筒 A，让 C 盘自然冷却，每隔 30s 记一次温度 T 值，选择最接近 T2 前后的各 6 个数据，填入表格中。2用逐差法求出铜盘 C 的冷却速率 ，并由公式(6)求出样品的导热系数 。3绘出 T-t 关系图，用作图法求出冷却速率 。4用方程回归法进行线性拟合，求解冷却速率 及其误差,将结果代入式(6)中，计算橡胶盘的导热系数 。思考题:1 试分析实验中产生误差的主要因素以及实验中是如何减小误差的？2 傅里叶定律 (传热速率)是不易测准的量。本实验如何巧妙地避开了这一难题?
