实验十四稳态法测量不良导体的导热系数

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1、实验十四稳态法测量不良导体的导热系数导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部

2、所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。【实验原理】1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有

3、在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为θ、θ，根据傅立叶传导方程，在Δt时12间内通过样品的热量ΔQ满足下式：ΔQθ1−θ2=λS(1)ΔthB式中λ为样品的导热系数，h为样品的厚度，S为样品的平面面积，实验中样品为B圆盘状，设圆盘样品的直径为d,则由（1）式得：BΔQθ1−θ22=λπd(2)BΔt4hB实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P,散热盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B,样品B

4、上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘C是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度θ和θ不变，这时可以认为加热12盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等。因此可以通过散热ΔQ盘P在稳定温度θ时的散热速率来求出热流量。2Δt实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度θ和θ后，将样品B抽去，让加热12aa盘C与散热盘P接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的θ值20C或者20C以2上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度θ随

5、时间t的下降Δθ情况，求出散热盘在θ时的冷却速率，则散热盘P在θ时的散热速率为：22Δtθ=θ2ΔQΔθ=mc(3)ΔtΔtθ=θ2其中m为散热盘P的质量，为其比热容。c在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积修正：2ΔQΔθ(πRp+2πRPhP)=mc(4)2ΔtΔtθ=θ22(πRP+2πRPhP)其中R为散热盘P的半径，h为其厚度。PP由（2）式和（4）式可得：2θ1−θ22Δθ(πRp+2πRPhP)λπd=mc(5

6、)B24hBΔtθ=θ22(πRP+2πRPhP)所以样品的导热系数λ为：14-4Δθ(Rp+2hP)4hB1λ=mc(6)2Δtθ=θ22(RP+2hP)(θ1−θ2)πdB【实验仪器】导热系数测定仪装置如图1所示,它由电加热器、铜加热盘C,橡皮样品圆盘B,铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。图1导热系数测定仪装置图【实验内容】(1)取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散

7、热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；(2)按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。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齐。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换。）；(3)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从FDHC，然后显示当时温度，当转换至b==·=，用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键，加

8、热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。14-4(4)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。(5)按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再a设定温度到80C，加快散热盘的温度上升