不良导体的热导率

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1、不良导体的热导率摘要物体导热性能的好坏，称为物体的热导率。不同的物质，热导率值是不同的热导 率大的称为热的良导体，热导率小的称为热的不良导体。测定不良导体的热导率 的方法是当样品两端达到稳态温度差时，样品的传热速率与散热盘从侧面和底面 向周围散热的速率相等为依据。由此测出散热盘在稳定温度时的散热速率，以此 求出不良导体的热导率，测量物质热导率的方法有稳态法和动态法两种，它们以 傅里叶热传导定律作为基础。目录1-实验目的2. 实验仪器3. 实验原理4. 实验内容与步骤5. 注意事项6. 数据及处理7. 问题讨论8. 知识拓展引言：导热系数是表征物质热传导性质的物理量,是各类科学研究和工程设计 的

2、重要基础参数。迄今为止,尚无法用纯理论的方法,导出物质（特别是固体） 导热系数的精确计算公式。研究材料的导热性质，在科学研究和工程应用中 是一个重要课题，凡联系到新型材料的开发，设备及装置的热设计等方面都 离不开它，对于不同材料的不同性质（非金属不良导体；金属良导体）可采 用不同的测试研究方法。因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。测量 导导热系数的方法一般分两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法 中，先利用热源在待测样品内形成一稳定的温度分布；然后进行测量。在动 态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化等。 本实验采用稳态法测定不良导体的导热系数。【实验目的】（

3、1）了解掌握热传导现象的物理过程。（2）掌握用稳态法测量不良导体热导率的原理及方法。（3）学会测定橡胶盘的热导率。（4）体会物理思想和对知识的拓展。【实验仪器】FDTCB型热导系数测定仪（温度控制范围：室温-80C，温度计精度： 0.1C）、橡胶样品、游标卡尺（精度：0.02 mm,量程：0125 mm）、ARA520 型电子天平（量程：1500g,线性误差：土0.01g）等。【实验原理】本实验采用稳态法测量橡胶的热导率。测量时对系统加温以使测试样品沿 其厚度方向形成温度梯度，热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热 传导。根据傅里叶热传导方程，在 dt 时间内通过 dS 面积的热量 dQ,

4、 正比于 物体内的温度梯度，其比例系数为热导率，即dQ/dt=-入（dT/dx） dS，在该 式子中dQ/dt为传热速率；dT/dt是与面积dS相垂直的方向上的温度梯度; 负号表示热量从高温区域传向低温区域；入表示物体的热导率，在该实验中 样品 B 在中间，认为本实验中样品侧面的散热量远小于通过样品下表面的散 热量，可以近似认为绝热，满足的公式为dQ/dt=-A （T -T ） /h S=-入（T -T ） /h n D2/4上 下B 0上 下BB其中 hB为样品厚度；S为样品圆盘B的面积；D为样品B的直径；T -T为样品上、下BB上 下表面的温度差。实验时，当传热达到稳定状态时，可以认为加热

5、盘 C 通过样品传递的热流量与散热盘A向周围环境的散热量相等。因此可以通过散 热盘A在稳 定温度T时的散热速率dT/d t来求出样品的传热速率dQ/d t。下在读取稳态时的T和T之后，取走样品让散热盘A直接与加热盘C 上下接触，加热铜盘A，使之温度上升，移开加热盘C，让散热盘A在电扇的作用下 冷却，同时记录A的温度T随时间t的下降情况，直到T降至比T下温度低，AA 然后在坐标图上画出冷却曲线，过曲线上的点作切线，则此切线的斜率就是 A 盘在T下温度时的冷却速率dT/dt|。T=T 下根据热容的定义，有dQ/dt=mc dT/dt=m c dT/dt| ， m 和 c 分别为 A 盘的质量和比热

6、容。 铜 铜T=T 下铜铜对于铜盘A，在达到稳态的过程中，其上表面并未暴露在空气中，散热的外 表面积为n D2 /4+n D h ,其中D， h分别为散热盘A的直径和厚度。移去加热盘AA AA AC后A盘的散热面积为n D2 /2+n Dh,考虑到物体的散热速率与他的散热面AA A积成比例，所以稳态时 A 的散热速率的表达式应作面积修正dQ/dt=m c (n D2 /4+n Dh ) /(n D2 /2+n D h )dT/ 铜 铜AA AAA Adt| =mc (D+4h)/2(D+2h)dTT = T下铜 铜AAAA/dt|T = T下综合上面的公式，可以得出样品的热导率为入=-2mch

7、 (D+4h)/n D2 (T -T ) (D +2铜 铜 BAAB上下Ah )dT/dt| ，只要求出dT/dt| ,就可以求出橡胶试样 AT=T下T=T下的热导率入。【实验内容与步骤】(1) 用游标卡尺测量散热盘A和样品B的厚度与直径，多次测量取平均值。用电子天平测量散热铜盘A的质量m 。铜(2) 取下固定螺钉，将橡胶样品放在加热盘和散热盘之间，橡胶样 品要求与加热盘、散热盘完全对准，上下绝热薄板要对准加热 盘和散热盘，调节底部的三个微调螺钉，使样品与加热盘、散 热盘接触良好，但注意不宜过紧或者过松。(3) 按照要求组装好设备与装置。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对

8、齐。(4) 接上导线系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示 为FDHC,然后显示当前温度。这时可以设定控制温度，按 升温键，左边显示BXX.X，表示想要设定的温度值。可以 设定为5 5 7 0C。再按确定键，显示为AXX.X之值， 加热指示灯闪亮，打开风扇开关，仪器开始加热。右边表头显 示散热盘的当前温度。(5) 加热盘的温度上升到设定温度值，开始记录散热盘的温度，每 隔一分钟记录一次，待在10分钟或更长时间内加热盘和散热 盘的温度值基本不变，就可以认为热量交换已经达到稳定状态 了(6) 按复位键停止加热，小心取走样品，调节三个螺栓使加热盘和 散热盘接触良好，再设定温度。(7) 移去加

9、热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔10s (或者 30s)记录一次散热盘的温度示值。(8) 将所有的数据进行处理，计算出橡胶样品的热导率。 【注意事项】(1) 注意各仪器间的连线正确，加热盘和散热盘的两个传感器要一一对 应，不可互换。(2) 温度传感器插入小孔时，要抹些硅油，并使传感器与铜盘接触良好。(3) 导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，可以减少样品 侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小误差， 所以实验过程中，风扇一定要打开。(4) 测量完毕，取出样品时，应先切断电源并注意防止烫伤。 数据及处理】表 1 散热盘 A 和样品圆盘 B 的厚度与直径数据记录表游标卡

10、尺精度：0.02mm,量程:0150mm,零点读数:0.04mm测 量 项 目h /mmAD /mmAh /mmBD /mmB次数直读值消除 零占 值直读值消除零点 值直读值消除 零占 值直读值消除零点 值17.507.46129.90129.867.767.72129.88129.8427.447.40129.92129.887.787.74129.88129.8437.567.52129.92129.887.807.76129.84129.8047.507.46129.92129.887.827.78129.86129.8257.527.48129.90129.867.807.76129.

11、86129.82平 均 值7.5047.464129.912129.8727.7957.755129.864129.824散热盘A的质量：m铜 =刍表2稳态时样品B上下表面的温度样品温度状态上表面温度T下表面温度T下温度值/ C65.0亠49.0表3散热铜盘A在T下附近冷却时的温度示值测量 次序123456789冷却0306090120150180210240时间/s温度 值/c56155.855.55554654.153653.453续表 1测量 次序101112131415161718冷却 时间 /s270300330360390420450480510温度 值/c52.45251.45150650.149649.2488续表2测量 次序192021222324252627冷却 时间 /s540570600630660690720750780温度 值/c48.44847.647.246846.546145845.4续表3测量 次序282930313233343536冷却 时间 /s81084087090093096099010201050温度 值/c45.144.844.544.143943643.34342.7续表 4测量次序373839冷却时间/s108011101140温度值/c42.442.141.91.计算入和相对误差入/入