不良导体的导热系数测量

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1、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

2、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

3、。【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，以表示处的温度梯度，那么在时间△t内通过截面积△S所传递的热量△Q为（3.14.1）式（3.14.1）中为传热速率，负号代表

4、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）半径为R1，厚度为h1，样品上表面与加热盘（位于上方的黄铜盘）的下表面接触，温度为θ1，加热盘由内部电热丝供热，热量由加热盘通过样品上表面传入样品，再从样品下表面与散热盘（位于样品下面的黄铜盘）的上表面相接，温度为θ2，即样品中的热量通过下表面

5、向散热盘散发。样品上下表面温度可以认为是均匀分布，在h1不很大情况下可忽略样品侧面散热的影响，则式（3.14.1）改写为：（3.14.2）式（3.14.2）中S1为样品横截面积。图3.14.1导热系数实验装置示意图当θ1、θ2稳定时，传热也达到稳定，即通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同。（3.14.3）式（3.14.3）中θ10、θ20是传热稳定时的样品上下表面温度，是样品的传热速率，是黄铜盘散热率。那么式（3.14.2）可表示为（3.14.4）由（3.14.4）式可见，要想得到导热系数，关键是测出黄铜盘的散热率。为此，

6、当测出稳态时样品上下表面的温度θ10和θ20之后，拿走样品，让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触，加热下黄铜盘使温度上升到高于θ20若干度后再拿去上黄铜盘，让下黄铜盘自然冷却，直接向周围散热。下黄铜盘在θ2=θ20附近的冷却速率：黄铜盘的散热率与其冷却速率的关系为（3.14.5）式(3.14.5)中m是散热黄铜盘的质量，c是黄铜比热（）。在样品传热过程中，只考虑下黄铜盘的下表面和侧面散热。但在测冷却速率时，黄铜盘上表面也暴露在外，实际是黄铜盘的上、下表面和侧面都在散热。由于物体冷却速率与它的表面积成正比关系，修正(3.14.5)式，可得=（3

7、.14.6）式（3.14.6）中R2、h2分别为散热黄铜盘半径和厚度。将式（3.14.6）代入式（3.14.4）并整理得待测样品导热系数为：（3.14.7）【仪器设备】本实验的仪器设备包括THQDC-1型导热系数测定仪，游标卡尺，天平，镊子等。THQDC-1型导热系数测定仪（见图3.14.2）由加热黄铜盘、散热黄铜盘、待测样品（见图3.14.3）、温度控制装置、温度测量装置、冷却装置、计时器、漏电断路器组成。其中最关键的部分是温度控制装置，称为PID智能温度调节器，下面主要介绍这一部分仪器的使用说明。图3.14.2.THQDC-1型导热系数测

8、定仪面板俯视图。图3.14.3.加热黄铜盘（上）、待测样品（中）、散热黄铜盘（下）的侧视图。（一）PID智能温度调节器面板说明如图3.14.4所示。图3.14.4P