固体导热系数实验预习

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1、固体导热系数实验预习【实验目的】1. 用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较; 2初步学习用热电偶进行温度测量。【实验原理】测量热导率的方法比较多，可以归并为两类基本方法：一类是稳态法；另一类为动态法。 用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测 量；而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采 用稳态法进行测量。根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为Ti和T2 (设 T2)的平行平面，若平面面积均为 S,则在 t时间内通过面积 S的 热量 Q满足下述表达式：

2、(13-1 )式中即为该物质的热导率，也称导热系数。由此可知，热导率是一个表示物质热传导性能的 物理量，其数值等于两相距单位长度的平行平面上、当温度相差一个单位时、在单位时间内垂 直通过单位面积所流过的热量，其单位为W/mK。材料的结构变化与杂质多寡对热导率都有明显的影响；同时，热导率一般随温度而变化，所以，实验时对材料成份、温度等都要一并记录。我们这里使用的TC-3型热导率测定仪，就是采用稳态法测量不良导体、金属、空气等多 种材料热导率的一体化实验仪器，由五大部分组成(具体结构如图13-1所示)：(1) 加热源：电热管加热铜板；(2) 测试样品支架：支架、样品板，散热铜板、风扇；(3) 测温

3、部分：热电偶，数字式毫伏表，杜瓦瓶；(4) 数字计时装置：计时范围 166分钟，分辨率0.1秒；(5) PID自动温度控制装置：控制精度-1 C，分辨率0.1 C。在支架上先放上圆铜盘 B,在B的上面放上待测样品 C (圆盘形的不良导体)，再把带发 热器的圆铜盘 A放在C上。发热器通电后，热量从 A盘传到C盘，再传到B盘，由于A、B 盘都是良导体，其温度即可以代表C盘上、下表面的温度 T1和T2,、T2分别由插入 A、B盘边缘小孔的热电偶I来测量，热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶G中的冰水混合物中，通过传感器切换开关Ki切换A、B盘中的热电偶Ii、Iii与数字电压表F的连接回路。由式(13-1 )可以

4、知Q道，单位时间内通过待测样品c任一圆截面的热流量-t为(13-2 )Q-T2=A.：theKa Ks Kr F I Ke Kf MA发热盘B散热盘c祥品盘叶毫伏表G杜瓦瓶LPID表M外接【一倍感器接口S计时表K厂加热选择心一风扇开关EC厂电源开关 K*计时按钮KL传感器切换U13-1兀-3型热导率测定役结构團式中Rc为样品的半径，he为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，Ti和T2的值不变，于是通过样品盘_C上表面的热流量与由散热铜盘 B向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘QB在稳定温度T2时的散热速率来求出热流量厶t。实验中，在读得稳定时的 、T2后，即可将C盘移去，而使盘 A的底面

5、与铜盘 B直接接触。当盘 B的温度上升到高于稳定时的值 T2若 干摄氏度或（0.2mV ）后，再将圆盘 A移开，让铜盘B自然冷却。观察其温度 T2随时间t变化情况，然后由此求出铜盘B在T2的冷却速率Q:TmBe ，而.:t.1卜帶电热管的加勲铜稅目-散热灘 C-ISilU祥晶D支架林箱E水平调节蛭钉F毫伏表G-社瓦鴉H固定轴】一熱电厲013-2 TC-3S热导率測定仪餓图氐氐 I ：1 心心M加烟I ttN幅 I喷韓-U胭蒯縣心-加热选择凤訶关K厂电酹关 K厂计时按臥Kl愕嚴翻瓠M-外搔ItB热贼停感器插座II散热啊腹飆器抽座图137 2理热导率测定姓血板布置图但要注（mB为紫铜盘B的质量，e

6、为铜材的比热容），就是紫铜盘B在温度为T?时的散热速率。iT T壬意：这样求出的At 2是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为22二Rb ：RBhB （其中Rb与hB分别为紫铜盘 B的半径与厚度）。然而，在观察测试样品C的稳态传热时，B盘的上表面（面积为 二RB ）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它 的表面积成正比，则稳态时铜盘B散热速率的表达式应作如下修正：QTnR 2nRhBtt 22nR，2nRhB （ 13-3 ）将式（13-3）代入式（13-2 ），得T J2Rb 2hBhe(13-4 )2 R3 2hp % T? Re【实验仪器】TC-3型热导率测定仪，橡

7、胶样品，TW-1型物理天平，游标卡尺，冰水，硅油。 使用注意：（1） 使用前将加热铜板 A与散热铜板B擦干净，样品两端面擦干净后， 可涂上少量硅油, 以保证接触良好。（2）实验过程中，如需触及电热板，应先关闭电源，以免烫伤。（3）实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验 的正确性。【实验内容】在测量热导率前应先对散热盘 B和待测样品盘 C的直径、厚度进行测量。1、 用游标卡尺测量待测样品盘C直径和厚度，各测1次。2、 用游标卡尺测量散热盘 B的直径和厚度，各测 1次，计算B盘的质量，也可直接用天 平称出B盘的质量。一、不良导体热导率的测量1.把橡胶盘C放入加热盘

8、A和散热盘B之间，用三个螺旋头E夹紧（拧去固定轴H不用）。2在杜瓦瓶 G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入加热盘 A和散热盘B侧面的小孔中，并将其温差电动势输出 的插头分别插到仪器面板的传感器插座h和Iii上，如图13-2所示。（1）园筒发热体盘 A侧面和散热盘 B的侧面，都有供安插热电偶I的小孔，安放发热盘A时此两小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，要抹上一些硅油， 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。2）本实验选用铜-康铜热电偶，温差100 C时，

9、温差电动势约 4.2 mV。3. 测量稳态时温度 T1和T2的数值。接通电源，打开电扇开关Kb （使散热盘有效、稳定地散热），将“温度控制 PID ”仪表上设置加温的上限温度（10乜）,加热器开关 Ka打到高 热（川）档，当传感器Ii的温度T1约为4mV左右时，再将加热开关Ka置于“ H ”或“I ”档， 降低加热电压。使加热盘A和散热盘B逐步达到稳定的温度分布（约需40分钟时间）。当达到稳态时，每隔3分钟记录Vn和Vt2的值。注意：当达到稳态时，Vn和 V的数值在10分钟内的变化小于 0.03毫伏，或Vt2的数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，约需40分钟时间。说明：对一般热电偶来说

10、，温度变化范围不太大时，其温差电动势mV值与待测温度值的比是一个常数，因此，在用公式（13-4 ）计算热导率时，可以直接用温差电动势值取代温度值。红4测量散热盘B在温度稳态值T2附近的散热速率t T 2。移开圆盘A，取下橡胶盘C,并使圆盘A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到高于稳定态的值 T2若干度（0.2 mV 左右）后，关掉加热器开关 Ka （电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时橡胶盘C不再放上），让铜盘B自然冷却，记录 T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须 保证温度稳态值 T2在其测量范围以内）。5关掉电扇开关 Kb和电源开关Kf。二、金属热导率的测量（选

11、做）1、将圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发热圆盘与散热圆盘之间。2、 在杜瓦瓶 G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入分别插入金属圆柱体上的上下两孔中，并将其温差电动势输 出的插头分别插到仪器面板的传感器插座Ii和Iii上。3、 当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，、T2值为金属样品上下两个面的温度， 此时散热盘B的温度为T2值。因此测量B盘的冷却速度为：Q由此得到热导率为.AT二 mg c 2RB 2hB Jl T1 _T21TRC4、测量散热盘B在温度稳态值T2附近的散热速率.T：t移开圆盘A，取下金属圆柱At体C,并使圆盘A的底

12、面与铜盘 B直接接触，当盘 B的温度上升到高于金属圆柱体上的下表 面的稳定态值T2若干度（0.2 mV左右）后，关掉加热器开关 Ka（电扇仍处于工作状态），将A 盘移开（注意：此时金属圆柱体C不再放上），让铜盘B自然冷却，记录 T2共约68次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度稳态值T2在其测量范围以内）。三、空气热导率的测量（选做）当测量空气的热导率时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为h,并用塞尺进行测量（即塞尺的厚度），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流， 所以此距离不宜过大。【数据处理】1 基本数据铜的比热容c= 385.06 J/(Kg K)室

13、温t=c（1）散热盘B直径2Rb =mm，半径Rb =mm,厚度hB = mm,质量mB= g橡胶盘C直径2RC =mm，半径Rc =mm,厚度hc=mm2.实验数据（1）稳态时T2的数据（每隔3分钟记录）i12345平均T1 (mV)T2 (mV)（2）散热速率t (s)0306090120150180知2t(mV/s)T2 (mV)3根据实验结果，计算出不良导热体的热导率 硅橡胶的热导率由于材料的特性不同，范围为0.072W/( m K)0.165 W/ ( m K)，本实验给出的硅橡胶热导率在285K (12C )左右时为z =0.165 W/ (m K),铝合金热导率的理论参考值为13

14、0150 W/ (m K)求出百分差。附录铜一康铜热电偶分度表温度(C)热电势(mV)012345678900.0000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.

15、9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7011104.7494.7964.8444.8914.9394.9875.0355.0835.1315.179【思考题】(1) 散热盘下方的轴流式风机起什么作用？若它不工作时实验能否进行?(2) 本实验对环境条件有些什么要求？室温对实验结果有没有影响？(3) 试定量估计用温差电动势代替温度所带来的误差。(4) 分析本实验的主要误差。