不良导体导热系数的测量实验及改进

《不良导体导热系数的测量实验及改进》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、不良导体导热系数的测量实验及改进■闫钰龙201300121192（山东大学信息科学与工程学院电信一班）[摘要]以传热学相关理论及数学工具软件，对稳态法测量不良导体导热系数实验中的数据处理进行改进。[关键词]导热系数；稳态法；牛顿冷却定律；回归分析2、实验原理1、引言导热系数是反映物质材料热传导能力的物理量，在理论研究和工程应用上有重要的价值。其定义为在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表图1热传导原理图面温差为1度（K或℃）时，1s内通过1㎡的的导热系数的测定基于热传导的基本公式——面积传递的热

2、量，单位为W/(m·K)。它与材料的傅里叶方程：组成、结构、密度、含水率、温度等影响因素有关。而固体由自由电子和原子组成，原子被束缚⑴在规律排列的晶格之中。在这种构形下，热能传在方程中，表示在时间内通过面元传导主要通过自由电子的迁移和晶格的振动波实现。金属之中，电子对热传导的贡献最大。而本实验递的热量，是沿面元法向的温度梯度，即材的不良导体中，晶格振动子起着主要作用。料的导热系数，方程中的负号表示热流传递方向由于导热系数牵涉了如此多的外部条件，所与温度梯度的方向相反。以具体材料的导热系数往往需要

3、实验测定。测量实验所采用的样品盘厚度为，面积为，侧导热系数的方法分为稳态法和动态法两类，本次面绝热，当上下表面分别被加热到和时实验采用稳态法，通过加热和传热使得样品内部，在时间内传导的热量为，导热系形成稳定的温度分布，从而测得样品的导热系数。数的表达式变为：笔者在实验之余又对数据处理方式进行了些许改进，并写入了本文之中，使之更接近于真实值。⑵通过实验装置中的加热盘与散热盘分别对样品盘上下表面进行加热与散热，使之达到热稳定状态，而后撤去样品盘使之在左右自然散热。1结合散热盘的比热容与质量，并对有无

4、样品的流体温度或密度不同，形成温度梯度或密度梯盘覆盖时的散热盘散热面积进行修正，得到表达度而引起的热量流动。而强迫对流主要是借外力式：作用（如风力）来维持发热体周围流体的流动而引起的热量流动），而这两种模式其热流量梯度截⑶然不同。在冷却过程中，强迫冷却与自然冷却的温度曲线相差甚远（见下图），随意的开启风扇也温度通过热电偶与数字电表联合测得。热是造成实验误差的重要原因。而对于强迫冷却曲电偶高温端与低温端温差为时，温差电动线的分析也是本文在数据分析阶段用以减小误差势为，冷端温度保持℃，则的重要一环。

5、。于是带入与时的温差电动势，导热系数的最终表达式为：⑷3、实验过程3.1实验仪器图3冷却曲线示意图3.1.1FD-TC-型导热系数测定仪3.1.2热电偶热电偶的理论基础是塞贝克效应，它是指由两种不同的导体或半导体的温度差异引起电势差的热电现象。对于金属而言，效应机理主要是热端电子具有更高能量和速度导致的电子由热端向冷端的扩散，以及不同金属内部电子平均自由程的不同而引起的电子运输，早起的温差电池即是图2导热系数测定仪依此制作的。而半导体是因为热端空穴浓度更高主要组成部分为发热盘、散热盘与控制面使得

6、载流子向冷端扩散，再加上声子牵引效应，板。控制面板上除了接线柱与热电偶选择开关形成了远远高于金属的温差电动势。外，风扇开关可控制散热盘下方的散热扇，加热电偶具有测量精度高，测量范围大，热响热开关分为220V与110V两个档位，对应“快应时间短的特点。而本实验作为热学实验，易受热”与“慢热”不同的加热功率。环境温度条件变动的影响，热电偶的热容量小，在使用过程中需注意将样品盘夹持在发热对环境影响小，更体现了传统玻璃温度计无法比盘与散热盘之间，不留缝隙，避免空气层对上拟的优势。下表面温度的影响，造成实

7、验误差。三个盘面值得注意问题是，热电偶的温差电动势是两应对齐，使得温度仅在竖直方向上不均分布，端温度函数的差，而非两端温度的差的函数。具而在水平截面上均等。体体现为热端与冷端分别置于80℃、40℃和40℃、散热风扇应始终保持开启状态。因为发热0℃之中时，温差电动势往往是不同的。而在本次盘主要的冷却方式为对流，而风扇的开启与否实验中冷端固定于制冷机内，保证了一端温度的决定了对流模式为强迫对流或自恒定，于是避免计算上的繁琐。然对流（自然对流是指由于发热体周围空间各处23.2实验内容⑴正确安装实验仪器

8、，调整散热盘螺旋头至散⑸取出样品盘，切换到220V档，直接以发热盘热盘水平，放置样品盘并夹持。加热散热盘。⑵短接数字电压表接线端并调零。⑹加热至散热盘热电势比大0.8mV，断开电源⑶用220V档位对发热盘加热至温差电动势为抬高发热盘，使散热盘冷却并每隔30s读取一次4.00mV，切换至110V继续加热。数据，直至数据比小0.6mV。然后关闭所有实⑷每5min读取一次上下表面温差电动势并记验仪器。录，至相邻两次读数之差均小于0.03mV，此时⑺进行数据处理与分析并计算。视作达到稳定导热状态，读取数