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1、稳态法测量不良导体导热系数【实验目的】1 利用物体的散热速率求传热速率。2. （用稳态平板法测定不良导体的导热系数。）【仪器用具】1 导热系数测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表）一台2 杜瓦瓶（或低温实验仪）一只/台3 硬铝样品（附绝缘圆盘一块，供散热时覆盖用）一根4 橡皮样品一块5 测片一把【实验内容】1 测量不良导体-橡皮样品的导热系数。2 测量金属-硬铝测试样品的导热系数。3测量空气的导热系数。【结构特性】在使用中，样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘和圆筒加热盘之间距离和平整度 的。除测量金属样品时不用圆筒固定外，其它如测橡皮和空气的导热系数时，均将圆筒的 固定轴对准样品支架上的
2、圆孔插入，并用螺母旋紧，具体步骤是：先旋下螺母，将加热圆 筒放下。使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定筒后的紧固螺钉，从而由三 个螺旋测微头来调节平面和待测样品厚度。【测量范围、精度】1. 温度测量部分：室温 0110C ;测量精度：土 1C 温差测量的精度 0.5 C ;2. 计时部分：范围0100min;最小分辨率1S,精度:10-53. 电压表：精度 0.1%;【实验原理】导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传播热量的过程当温度的变化只是沿着一个方向（设Z方向）进行的时候，热传导的基本公式可写为：dQ（）z0 ds dtdz 0（2-9-1）它表示在dt时间内通过ds面的
3、热量为dQ,dT/dz温度梯度，入为导热系数，它的大小由物体 本身的物理性质决定,单位为w/（m?k）,它是表征物质导热性能大小的物理量 ，式中负号表示 热量传递向着降低的方向进行。在图一中，B为待测物，它的上下表面分别和上下铜盘接触，热量由高温铜盘通过待测 物B向低温铜盘传递，若 B很薄，则通过 B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热 量沿着垂直待测圆板B的方向传递，那么，在稳定导热（即温度场中各点的温度不随时间而变）的情况下，在 t时间内，通过面积为 S、厚度为h的匀质板的热量为(2-9-2) T表示匀质圆板两板两板面的恒定温差。若把（2-9-2 ）式写成Ts(2-9-3 )的形式，那
4、么 Q/ t。便为待测物的导热速率。只要知道了导热速率，由（2-9-3 ）式即可求出入。下面我们来求厶Q/ t o实验中，使上铜盘 A和下铜盘P分别达到恒定温度 Ti、T2,并设Ti T2,即热量由上而 下传递，通过下铜盘P向周围散热因为Ti和T2不变，所以，通过B的热量就等于P向周围散 发的热量，即B的导热速率等于 P的散热速率，因此,只要求出了 P在温度T2时的散热速率, 就求出了 B的导热速率 Q/ t o因为P的上表面和B的下表面接触，所以 P的散热面积只有下表面面积和侧面积之和， 设为S部。而实验中冷却却曲线P是全部裸露于空气中测出来的，即在P的下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。
5、设其全部表面积为S全，根据散热速率与散热面积成正比的关系得AQt 部 s部QS全t全(2-9-4 )式中：（ Q/ t）部为S部面积的散热速率；（ Q/ t ）全为S全面积的散热速率。而散热速率（厶Q/ t ）部就等于（2-9-3 ）式中的导热速率厶 Q/ t，这样（2-9-3 ）式便可写作:Qt设下铜盘直径为 D,厚度为3,那么有S部S全 2部?S h(2-9-5 )2DD22DD2(2-9-6 )由比热容的基本定义 C=A Q/m-A T,得厶Q=cmXT,故Q 厶 cm T 全 (2-9-7)将（2-9-6 ）、（2-9-7 ）两式代入（2-9-4 ）式，得QD 4、,部cmKt2D 4
6、(2-9-8 )将（2-9-8 ）式代入（2-9-5 ）式得cmKh D4(2-9-9 )12d安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶（或低温实验仪）热电偶插入小孔时，要干抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端 插在滴有硅油的细玻璃管内，再将玻璃管浸入冰水混合物中（或直接接低温实验仪提供 的冷端的热电偶，并使温度控制在 0C 根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压打到高档，加热约20分钟后再打至低档。然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内（如 10分钟）样品上、下表面温度 、T2示值都不变，即可认为已
7、 达到稳定状态。记录稳态时Ti、T2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比T2高出10C 左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率。 本实验选用铜康热电偶测温度，温差100C时，其温差电动势约 4.0mV,故应配用量程010mV,并能读到O.OImV的数字电压表.由于热电偶冷端温度为 0C,对一定材料的热电偶 而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势（ mV）与待测温度（0C）的比值是一个 常数。由此，在用式（2-9-9）计算时，可以直接以电动势值代表温度值。【实验注意事项】1 在做稳态法时，要使温度稳定约要1个小时左右，为
8、缩短时间，可先将热板电源电压打在高档，几分钟后，Ti=4.00mV即可将开关拨至低档待T1降至3.5mV左右时通过手动调节电热板电压高档、低档及断电档，使Ti读数在土 0.03mV范围内，同时每隔2分钟记下样品上下圆盘 A和P的温度T和T2的数值，待T2的数值在10分钟内不变即可认为已达 到稳定状态，记下此时的T1和T2值.2 .测金属的导热系数时，T 1、T2值为稳态时金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P的 t1 t2D 2式中：m下铜盘的质量；c 下铜盘的比热容。【实验步骤】1 用游标卡尺多测量下铜盘的直径D厚度3和待测物厚度L,然后取平均值。下铜盘的质量m由天平称出，其比热容C=3.8
9、05*10 2 J/k g?C温度为T3。因此测量P盘的冷却速率应为:T T3Tme tT T3hTiT2测Ta值时要在T1.T2达到稳定时，将上面测 Ti或T2的热电偶移下来进行测量。3 圆筒发热体盘侧面和散热盘 P侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免线路错乱，热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞 孔底部，保证接触良好，热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入 适当的硅油。4 .样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标卡尺多次测量取平均值。散热盘的质量m约1 kg,可用药物天平称量。5本实验选用铜一康铜热电偶，温差100C时，温差电动
10、势约故应配用量程0 10mV的数字电压表，并能测到 0.01 m V的电压（也可用灵敏电流计串联一电阻箱来替代）。【仪器维护与保养】1 .使用前将加热盘与散热盘面擦干净。样品两端面擦净手，可涂上少量硅油。以保证接触良好。2 在实验过程中，如若移开电热板，就先关闭电源。移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以免烫伤手。3 .实验结束后，切断电源，保管好测量样品。 不要使样品两端划伤， 以至影响实验的精度。数字电压表数字出现不稳定时先查热电偶及各个环节的接触是否良好。4 仪器在搬运及放置时，应避免强烈振动和受到撞击。5.仪器长时间不使用时。请套上塑料袋，防止潮湿空气长期与仪器接触。房间内空气湿度 应小
11、于80%6仪器使用时，应避免周围有强烈磁场源的地方。7.长期放置不用后再次使用时，请先加电预热3 0 min后使用。稳态法测量不良导体导热系数导热系数是一种重要的物理量，不良导体导热系数的测定，是热学中比较重要的实验。 用稳态法测不良导体导热系数是一种常见的方法，它较其它方法更方便，精确度更高。测定不良导体的导热系数的原理是法国数学家、物理学家的约瑟夫付里叶给出的导热方程式，在物体内部，垂直于导热方向上，两个相相距为h，面积为s，温度分别为 T1、T2的平行平面，在 t秒内，从一个平面传到另一个平面的热量厶Q满足下述表达式：?sT2Q? ht sT1 T2-”号表示热量式中 Q/ t定义为传热
12、速率，入定义为该物质的导热系数，亦称热导率“ 向温度低的方向传递，由此得：对于样品B可有：Q ?h Bt SB T1 T 2式中hB、Sb和T都易测得，而 Q/ t可由稳态测出，对如附图所示的热学系统，当系统处于稳定状态时，样品B上、下两面的的温度 T1、T2不变，说明通过传热筒 A向样品B的传热速率与样品 B通过P盘的散热速率相等，否则 T2将继续升高，因此可通过求 P盘的散热速率得到传热速率，而散热速率由P盘的冷却曲线求出。由于样品B是不良导体，且侧面积较小，故侧面损失的热量忽略不计。在实验中，当温度 T1、T2不变时，取走样品 B,让A底直接与P盘接触加热，使 P盘的温度上升到比 T2高
13、10C左右后，再将 A取走让P盘自然冷却，测量相隔 30s的温度值,t为横坐标，温度T为纵坐标，绘制冷却曲线，如图示只比T1低5C左右止，然后以时间2所示，曲线上对应于 T2的斜率T T2图2即为P盘在温度T2时的冷却速率，此时由于 P盘全部表面向环境散热，而加热过程中， 盘的上表面被样品 B覆盖，只有下表面和侧面向环境散热，故应对k值修正，由于冷却速率与它的表面积成正比，所以将冷却速率修正为:T亠S侧STk tT T2 ?S 侧S上St2设圆盘P半径为Rp,厚度为hp，质量为 m比热容为c,且S上=S下=n Rp , S侧=2 n Rp?hpk2 Rp?hp R pT T2 2 RP ?hP
14、 Rp2Rp2? 2h P R p T T2 2hp 2Rp所以散热速率在稳态状态下,0tmck me? 2hP 2RptT2P盘的散热速率与样品 B的传热速率相等，即tmc? 2hp Rp ? T2hP 2Rpt又SB=n R，所以，导热系数hB?mc? 2hp Rp ? TRb Ti T22hp 2Rp t实验中，使用数字电压表测量温差电偶在有温度变化时所反映出的电压差mchB ? 2hp Rp ? V Rb2 V1 V2 2hp 2Rp tV2T T2V,故上式为:mchBRb2 TiT22hp Rp ? T2h p 2R p tT T2Vi、V2对应于Ti、T2数字电压表的读数由上式知，实验中只要测出m hB、吊、hp、金、Vi、V2以及利用稳态法测出v v2就可测出不良导热系数。测量硬铝的导热系数已知条件为：M=842.5g, c=0.380 x 103J/kg , hp=7.14mm,Rp=(129.96/2)mm , h B=99.86mm , RB=(40.06/2)mm表一初始电压
