不良导体的热导系数的测量
实验简介
材料的导热系数是反映材料热性能的物理量,导热机理在很大程度上取决与它的微观结构,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。导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关,而且与它的微观结构、温度、 压力及杂质含量相联系。 测量导热系数的方法比较多,但可以归并为两类基本方法:一类是稳态法,另一类是动态法。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析,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。
实验目的
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。
实验仪器
待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘(带隔热层)、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等
实验原理
1,导热系数
当物体内存在温度梯度时,热量从高温流向低温,谓之热传导或传热,传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积,比例系数为热导系数或导热率:
dS dx
dT
dt dQ λ-= (1) 2,不良导体导热系数的测量
厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品(橡胶板)夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔,热电偶可插入孔内测量温度,两面高低温度恒定为T 1 和T 2时,传热速率为
S h
T T dt dQ
21--=λ (2)
图 1
图 2
由于传热速率很难测量,但当T 1 和T 2稳定时,传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热量。 这时移去橡胶板,使加热盘与铜盘直接接触,将铜盘加热到高于T 2约10度,然后再移去加热盘,让黄铜盘全表面自由放热。每隔30秒记录铜盘的温度,一直到其温度低于T 2,据此求出铜盘在T 附近的冷却速率
dT
。
铜盘在稳态传热时,通过其下表面和侧面对外放热;而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比,
()()dt
Q d h R R h R R dt dQ '
++=
222ππ (3) 式中
dt
Q d '
为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体,有 dt
dT
mc di Q d =' (4) 这样,就有
()()dt
dT
mc
h R R h R R dt dQ 222++=ππ (5) 结合(2)式,可以求出导热系数:
()
dt
dT
h R T T R h R h c m A A B
A A
B ?
+-+=
)(2)2(212πλ铜铜 (6)
m 铜、h B 、R B 、h A 、T 1、T 2都可以由实验测量出准确值,而黄铜盘的比热容为0.3709 kJ/kg ?K 。
实验内容
1 观察和认识传热现象、过程及规律
(1) 用卡尺测量黄铜盘A 和待测橡胶盘B 的厚度和直径,要求多次测量,并求出平均值和不确定度。 A 盘的质量为已知。
(2) 连接好仪器,将热电偶插入A 盘和加热筒底部侧面的小孔内,热电偶的冷端置于保温瓶的冰水混合物中。
(3) 接通调压器电源,缓慢升高电压,使红外灯电压逐渐升高到200V 左右,待加热筒的温度升到80度左右时,降低电压到125V 左右,然后每隔一段时间读一次T 1和T 2的温度值,直到二者的示值在10分钟内基本保持不变,则可以认为达到稳定状态,记下这时的T 1和T 2值,随后移去橡胶盘,让黄铜A 盘和传热筒的底部直接接触,加热A 盘使其温度比T 2高约10?C 左右,把调压器的电压降到零,断开电源,移去传热筒,让A 盘在空气中自然冷却,每隔30秒记一次温度值,选择最接近T 2前后的各6个数据。
2 用逐差法求出黄铜盘A 的冷却速率
dt
dT
,并由公式(6)求出样品的导热系数λ 。 3 绘出T -t 关系图,用作图法求出冷却速率dt dT
。
4 用方程回归法进行线性拟合,求解冷却速率dT
及其误差,将结果代入式(6),计算样品
的导热系数λ 及其不确定度U λ。
注意事项
(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。
实验重点与难点
系统稳定状态的确定,合适与否决定了测量结果的准确性;尽量减少实验中产生误差的因素。 思考题 傅立叶定律dt
dQ 传是不易测准的量,本实验如何巧妙地避开了这一问题?
附录 直流电位差计测热电偶温差电动热 一、热电偶测温原理
热电亦称温差电偶,是由A 、B 两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时(如图3),在回路中就有直流电动势产生,该电动热称温差电动势或热电动势。当组成势电偶的材料一定时,温差电动势E x 仅与两点接点处的温度有关,并且两点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式: )(0t t a E x -≈ 式中a 称为温差电系数,对于不同金属组成的热电偶,a 是不
同的,其数值上等于两接点温度差为1?C 时所产生的电动势。
图3
为了测量温差电动势,就需要在图3的回路中接入电位差计,但测量仪器的引入 不能影响热电偶原来的性质,例如不影响它在一定的温差0t t -下应有的电动势E X 值。 要做到这一点,实验时应保证一定的条件。根据伏打定律,即在A 、B 两种金属之间 插入第三种金属C 时,若它与A 、B 的两连接点处于同一温度t 0(图4),则该闭合回 路的温差电动势与上述只有A 、B 两种金属组成回路时的数值完全相同。所以,我们 把A 、B 两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起,构成热电偶的热端(工作端)。 将另两端各与铜引线(即第三种金属C )焊接,构成两个同温度(t 0)的冷端(自由 端)。铜引线与电位差计相连,这样就组成一个热电偶温度计。通常将冷端置于冰水 混合物中,保持t 0=0?C ,将热端置于待测温度处,即可测得相应的温差电动势,再根 据事先校正好的曲线或数据来求出温度t 。热电偶温度计的优点是热容量小,灵敏度 高,反应迅速,测温范围广,还能直接把非电学量温度转换成电学量。因此,在自动 测温、自动控温等系统中得到广泛应用。
不良导体热导率的测定
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1 1、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,“-”号表示热量由 高温区向低温区域,λ是导热系数,表示物体导热能力的大小。在SI中λ的单位是W·m-1·K-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:
不良导体导热系数测量
实验题目:不良导体导热系数的测量 实验目的: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利用作图法求冷却 速率。 实验原理:1、导热系数 导热系数是反映材料热性能的重要物理量。目前对导热系数的测量均建立在傅立叶热传导 定律的基础上。本实验采用稳态平板法。 根据热传导理论,当物体内部存在温度梯度时,热量从高温向低温传导: dx dt dT dt dQ ?-=λ 其中λ就是导热系数。 2、不良导体导热系数的测量 样品为一平板,当上下表面温度稳定在T 1、T 2,以h B 表示样品高度,S B 表样品底面积: B B S h T T dt dQ ?-=21λ 由于温差稳定,那么可以用A 在T 2附近的dT/dt (冷却速率)求出dQ/dt 。 根据散热速率与散热面积成正比,则 dt dQ h R h R dt dQ h R R h R R dt dQ P A A A A P A A A A A A ?++=?++=2)(2)2(ππ 又根据 dt dT mc dt dQ P ? = 有 dt dT h R T T R h R mch A A B A A B ?+-+= ))((2)2(212 πλ 从而通过测量以上表达式中的量得到导热系数。 实验装置:如图 实验内容:1、用游标卡尺测量A 、B 两板的直径、厚度(每个物理量测量3次); 2、正确组装仪器后,打开加热装置,将电压调至250V 左右进行加热至一定温度(对应T 1电
压值大约在3.20-3.40mV ); 3、将电压调至125V 左右,寻找稳定的温度(电压),使得板上下面的温度(电压)10分钟内 的变化不超过0.03mV ,记录稳定的两个电压值; 4、直接加热A 板,使得其温度相对于T 2上升10度左右; 5、每隔30s 记录一个温度(电压)值,取相对T 2最近的上下各6个数据正式记录下来; 6、整理仪器;数据处理。 实验数据: 几何尺寸测量: 表一:A 、B 板的几何尺寸测量结果 A 质量m=806g ,比热容c=0.793kJ/kgK 。 稳定温度(实际是电压值): T 1:3.09mV T 2:2.73mV 表二:自由散热温度(最接近T 2的12个) 数据处理: 将导热系数的公式变形为 dt dV h D V V D h D mch A A B A A B ?+-+= )2)(()4(2212 πλ A 盘直径的平均值 mm mm D D D D A A A A 89.129390 .12972.12904.1303321=++=++= B 盘直径的平均值 mm mm D D D D B B B B 46.129352 .12944.12942.1293321=++=++= A 盘厚度的平均值 mm mm h h h h A A A A 95.6392 .690.602.73321=++=++= B 盘厚度的平均值 mm mm h h h h B B B B 98.7300 .892.702.83321=++=++= 利用ORIGIN 作图得到dV/dt :
不良导体的导热系数
热导系数的测量 学号:PB07210137 姓名:昝涛 实验名称:热导系数的测量 实验目的: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热传导系数 并用作图法求冷却速率 实验原理: 1. 导热系数 当物体内存在温度梯度时,热量从高温流向低温,谓之热传导或传热,传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积,比例系数为热导系数或导热率: dS dx dT dt dQ λ-= (1) 2. 不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品(橡胶板)夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由 加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔,热电偶可插入孔内测量温度,两面高低温度恒定为T 1 和T 2时,传热速率为 S h T T dt dQ 21--=λ (2) 由于传热速率很难测量,但当T 1 和T 2稳定时,传入橡胶板的热量应等于它向周围的散 热量。 这时移去橡胶板,使加热盘与铜盘直接接触,将铜盘加热到高于T 2约10度,然后再移去加热盘,让黄铜盘全表面自由放热。每隔30秒记录铜盘的温度,一直到其温度低于T 2,据此求出铜盘在T 2附近的冷却速率 dt dT 。 铜盘在稳态传热时,通过其下表面和侧面对外放热;而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比, ()()dt Q d h R R h R R dt dQ ' ++= 222ππ (3) 式中 dt Q d ' 为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体,有 dt dT mc di Q d =' (4) 这样,就有 ()()dt dT mc h R R h R R dt dQ 222++=ππ (5) 结合(2)式,可以求出导热系数 ()()dt dT h R T T R h R h c m A A B A A B +-+= )(22212 πλ铜铜
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以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。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: B B h T T R t Q )(212 -???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品的传热速率。 这样,只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R