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不良导体导热系数的测定

不良导体导热系数的测定

热量的传递一般分为三种:热传导、热对流、以及热辐射。其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说,热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程;从宏观上说,它是由于物体内部存在温度梯度,而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。不同物体的导热性能各不相同,导热性能较好的物体称为良热导体,导热性能较差的物体称为不良热导体。定量描述物体导热性能的物理量是导热系数,一般说来,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。

导热系数是描述材料性能的一个重要参数,在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数,而且通过研究物质的导热系数,还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以,导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。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。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的,变化规律不仅受实验条件的影响,还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。

【预备问题】

① 如何判断不良导体中的导热过程达到了稳定? ② 不良导体样品盘的厚度对测量结果有影响吗?

③ 如果测量高低温热源温度所分别使用的温度计读数有偏差,将会产生什么样的影响?有什么办法消除或减小影响?

【引言】

1.热传导定律

当物体内部各处的温度不均匀时,就会有热量从温度较高处传递到温度较低处,这种现象叫热传导现象。

早在1882年著名物理学家傅立叶(Fourier )就提出了热传导的定律:若在垂直于热传播方

向x 上作一截面△S ,以0

x dx d ?

?? ??θ表示0x 处的温度梯度,那么在时间△t 内通过截面积△S 所传递的热量

△Q 为

S dx d t Q x ????

??-=??0

θλ (3.14.1) 式(3.14.1)中

Q

t

??为传热速率,负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处,与温度梯度方向相反。比例系数λ称为导热系数,其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时,在单位时

间内通过单位面积所传递的热量,单位是瓦·米-1·开-1(W ·m -1·K -1)。

2.稳态法测传热速率

测定样品导热系数的实验装置如图3.14.1所示。图中待测样品(圆盘)半径R 1=60mm ,厚度h 1=5mm ,