不良导体热导率的测定
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不良导体热导率的测定实验报告实验目的:1.了解不良导体的概念与特性;2.理解热导率的定义与计算方法;3.通过实验测定不良导体的热导率。
实验原理:不良导体是指导热性能较差的材料,其热导率远低于金属等良导体。
热导率是衡量材料导热性能的物理量,通常用λ表示。
热导率的单位为W/(m·K),表示单位时间内单位长度材料导热的能量。
热流量是指单位时间内通过单位面积传导的热量,可用下式表示:q=λ·ΔT/d其中,q为热流量,λ为热导率,ΔT为温度差,d为热传导路径。
实验中,我们将使用一个热传导装置来测定不良导体的热导率。
具体而言,装置包含一个维持恒定温度的热源和一个铜棒,通过测量铜棒上的温度分布来计算热导率。
实验步骤:1.将热源温度设置为所需温度,保持稳定;2.将铜棒与热源接触,等待一段时间,使铜棒温度达到稳定;3.在铜棒上选取多个位置,使用温度计测量相应位置的温度,记录数据;4.根据测得的温度数据,计算热流量的梯度和热导率。
实验数据:温度测量位置温度(℃)1 202 403 604 805 1006 1207 1408 160实验结果与分析:根据测得的温度数据,我们可以计算出不同位置的温度差ΔT,并根据实验原理中的公式计算出相应位置的热流量q。
通过绘制q与位置之间的关系图,可以得到一个本质上线性的曲线,且曲线的斜率正比于热导率λ。
根据实验数据计算得到的热流量如下:位置热流量(W)1-2 102-3 103-4 104-5 105-6 106-7 107-8 10绘制热流量与位置之间的关系图,可以得到一条直线,从而确定热导率λ。
实验结论:通过本次实验,我们成功地测定了不良导体的热导率。
实验结果表明,不良导体的热导率远低于金属等良导体,这也说明了不良导体在绝缘材料、隔热材料等领域的应用潜力。
同时,通过实验测定的热导率数据,可以进一步分析不良导体的导热特性,为相关领域的热工设计提供依据。
不良导体热导率的测量实验原理导体的热导率是指导体传导热量的能力,是衡量导体导热性能的重要指标。
而对于不良导体,其热导率相对较低。
在实验中,我们可以通过测量不良导体的热导率来评估其导热性能。
本文将介绍不良导体热导率的测量实验原理。
实验原理:不良导体的热导率低主要是由于其内部存在大量的热阻碍,导致热量难以在内部传导。
因此,我们可以通过测量在不同条件下不良导体的温度变化来间接评估其热导率。
实验步骤:1. 准备实验样品:选择一个具有不良导热性能的样品,如橡胶、木材等。
2. 安装测温设备:在样品的不同位置安装温度传感器,以测量样品的温度变化。
传感器的数量和位置应根据实际情况确定,以保证测量的准确性。
3. 设置实验条件:调节实验室的环境温度,以及样品表面的温度,可以通过加热或冷却来控制。
4. 开始实验:在设定的实验条件下,记录样品各个位置的温度随时间的变化。
5. 分析数据:根据测得的温度数据,计算不同位置之间的温度差,并绘制温度变化曲线。
6. 计算热导率:根据温度差、样品几何尺寸以及样品的热传导特性,可以通过热传导方程计算出样品的热导率。
实验注意事项:1. 在安装温度传感器时,要确保其与样品的接触良好,以避免测量误差。
2. 在设置实验条件时,要注意控制环境温度的稳定性,以确保实验的可重复性。
3. 在数据分析过程中,要注意排除其他因素对温度变化的影响,如辐射热量的影响等。
4. 在计算热导率时,要确保所采用的热传导方程与实际情况相符合,以保证计算结果的准确性。
实验结果分析:通过实验测得样品在不同条件下的温度变化数据,可以计算出样品的热导率。
在不良导体的情况下,热导率相对较低,导致样品的温度变化较为缓慢。
而在良导体的情况下,热导率较高,导致样品的温度变化较快。
通过对比不同样品的热导率,可以评估其导热性能的优劣。
总结:通过不良导体热导率的测量实验,我们可以评估不同材料的导热性能。
这对于材料的选择和应用具有重要意义。
不良导体热导率的测量一、引言热传导是物质内部能量传递的一种方式,热导率是描述物质热传导能力的重要物理量。
对于材料科学和工程领域来说,准确测量材料的热导率具有重要意义。
然而,对于不良导体(如聚合物和复合材料)的热导率测量却具有一定难度。
因此,本文将介绍不良导体热导率的测量方法及其原理。
二、不良导体热传导机制在普通金属中,电子是主要的载流子,在电子-晶格相互作用下实现了热传输。
但在不良导体中,由于载流子密度很低,因此电子-晶格相互作用并不能完全解释热传输现象。
此时,声子(即晶格振动)成为了主要的载流子,在声子-声子和声子-晶格相互作用下实现了热传输。
三、测量方法1. 稳态法稳态法是目前应用最广泛的测量不良导体热导率的方法之一。
该方法通过在样品两端施加恒定温差,并测量样品两端的温度差和电流,从而计算出样品的热导率。
该方法需要保证样品稳定地达到热平衡状态,因此需要较长时间进行测量。
2. 非稳态法非稳态法是一种快速测量不良导体热导率的方法。
该方法通过在样品中加入一个短脉冲热源,并测量样品温度随时间的变化,从而计算出样品的热导率。
该方法适用于材料热导率较低或样品尺寸较小的情况。
3. 激光闪光法激光闪光法是一种基于激光脉冲加热和红外相机检测温度变化的非接触式测量方法。
该方法适用于材料表面温度变化较大或材料形态不规则等情况。
四、实验步骤以稳态法为例,具体实验步骤如下:1. 制备样品:根据实验要求制备不良导体样品,并将其切割成适当大小。
2. 测量尺寸:使用卡尺等工具测量样品尺寸及厚度,并计算出其截面积。
3. 热电偶连接:将两个热电偶分别固定在样品两端,并保证它们与样品紧密接触。
4. 电流施加:在样品中加入适量电流,使其达到恒定状态。
5. 温度测量:使用数字温度计等工具测量样品两端的温度差,记录数据。
6. 计算热导率:根据测得的数据,利用热传导方程计算出样品的热导率。
五、注意事项1. 样品表面应平整光滑,以保证热传输的均匀性。
实验三 不良导体导热系数测定导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量,导热是热交换(导热、对流和辐射)三种基本形式之一,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,要认识导热的本质和特征,就需要了解材料的导热机理。
而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。
材料的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,材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关,而且与它的微观结构、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测定,因此,在加热器、散热器、管道热传递设计等工程实践中具有实际意义。
1882年法国物理学家约瑟夫·付里叶(Joseph ·Fourier)奠定了热传导理论,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基础之上,从测量方法来说,可分为两大类:稳态法和动态法,本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。
【实验目的】1.了解热传导的基本规律及散热速率的概念; 2.学习稳态平板法测定不良导体导热系数;3.掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。
【实验仪器和用具】智能导热系数测定仪,调压器,热电偶,保温杯,电加热盘,游标卡尺,待测样品。
【实验原理】当温度不同的两个物体相接触,或物体内部温度梯度存在时,物体间或物体内部就会发生热传导现象。
描述热传导规律的基本方程——付里叶方程,即当热流在x 方向流动时,可用一维方程描述,其形式为 :s xdtdQ d )d d (θλ-= (2-1)其中,dtdQ 为在d t 时间内,热流穿过面元s d 的传热速率,xd d θ是沿面元垂直方向的温度梯度,“—”表示热量传递方向是从高温传向低温方向。
λ为物体的导热系数,其物理含义是:在单位时间内,每单位长度上温度降低1K 时,单位面积上通过的热量。
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。
热传导是热互换的三种(热传导、对流和辐射)大体形式之一,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。
材料是导热机理在专门大程度上取决于它的微观结构,热量的传递依托原子、分子围绕平稳位置的振动和自由电子的迁移。
在金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部份半导体中那么以晶格振动起主导作用。
因此,某种材料的导热系数不仅与组成材料的物质种类紧密相关,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式精准测定。
测固体材料热导率的实验方式一样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进程,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度。
实验原理:图11、导热系数1882年法国科学家傅里叶成立了热传导理论,目前各类测量导热系数的方式都是成立在傅里叶热传导定律的基础之上的。
本实验采纳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时刻内通过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)式中为传热速度,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。
关于各向异性材料,各个方向的导热系数是不同的(经常使用张量来表示)。
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,那么维持上下平面有稳固的T1和T2(侧面近似绝热),即稳态时通过样品的传热速度为:(2)式中hB为样品厚度,S B R2B为样品上表面的面积,(T1-T2)为上、下平面的温度差,λ为导热系数。
在实验中,要降低侧面散热的阻碍,就需要减小h。
实验 六 不良导体导热系数的测定导热系数(又称热导率)是表征物质材料热传导性质的重要物理量。
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。
1804年法国物理学家毕奥通过平壁导热实验的结果最早的表述了导热定律。
稍后,1822年法国的傅立叶运用数理的方法,更准确地把它表述为后来称之为傅立叶定律的微分形式,从而奠定了导热理论。
目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上。
从测量的方法来说可分为两类:一类是稳态法,另一类是动态法。
在稳态法中,先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布,然后进行测量。
在动态法中,待测样品中的温度分布是随时间变化的。
例如呈周期性的变化等。
本实验采用稳态法进行测量。
【实验目的】(1)学习用稳态法测定材料的导热系数。
(2)学习如何运用实验观测的手段,尽快找到最佳的实验条件和参数,正确测出所需的实验结果的方法。
(3)学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。
(4)学习热电偶的测温原理和方法。
【实验原理】(1) 傅立叶热传导方程1882年法国数学、物理学家傅立叶给出了一个热导体的基本公式——傅立叶导热方程式。
该方程式指出,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h 、温度分别为1T 、2T 的平行面(设 1T >2T ),若平面面积均为 S ,在d t 时间内通过面积S 的热量d Q 满足下述表达式:dtdQ =h T T S 21-λ, (1) 式中dt dQ 为热流量,λ为该物质的热导率(又称导热系数),表明物质导热的能力。
λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,在单位时间内通过单位面积的热量;其单位为)K m (W 。
(2)本实验装置为导热系数测定仪,如图1所示。
本仪器可用于稳态法测量不良导体、金属和气体的导热系数,采用电热板加热、热电偶测温、数字毫伏表测量温差电动势。
它由电加热板、铜加热盘A,橡皮样品圆盘B,铜散热盘C 、样品支架及调节螺丝、风扇、温度传感器以及控温与测温器组成。
不良导热体一般用稳态热流法,条件符合的话也可以使用激光导热法,但是多次测试的结果差异较大。
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。
扩展资料:
注意事项:
1、注意各仪器间的连线正确,加热盘和散热盘的两个传感器要一一对应,不可互换。
2、温度传感器插入小孔时,要抹些硅油,并使传感器与铜盘接触良好。
3、导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用,可以减少样品侧面与底面的放热比,增加样品内部的温度梯度,从而减小误差,所以实验过程中,风扇一定要打开。
大学物理实验不良导体热导率的测定实验.
不良导体热导率的测定实验.1,本次实验所测量的热导率λ,①实际上就是热容量;②是决定传热状态是否达到稳恒态的物理量;③是由绝缘材料传热性能所决定的物理量,但因要在稳恒态时才能测量,所以λ也与传热状态有关;④是完全由绝缘材料传热性能所决定的物理量,我们在稳恒态进行测量是为了使dT/dl=ΔT/Δl=(T2-T1)/l,这使测量和计算都大大简化,而不能说λ与稳恒态有关.试指出上述4种看法中,哪种正确?2,这种测λ的方法是否适用于测热的良导体?为什么?
4,热导率是一个材料的本征性能.λ= α* Cp * ρ(热扩散系数*热容量*密度)
用稳态法不太合适测量热的良导体,热的良导体热传导性能好,热量容易损失,使物体两表面的温度测量不准确.
篇一:不良导体的导热系数的测定实验报告
梧州学院学生实验报告
成绩:指导教师:
专业:班别:实验时间:实验人:学号:同组实验人:
1 2
3
4
篇二:物理实验报告测量不良导体的导热系数测量不良导体的导热系数
林一仙
一实验目的
1、用稳态平板法测量不良导体的导热系数
2、用物体的散热速率求传热速率
3、掌握热电偶测量温度的方法
二实验仪器
导热系数仪、杜瓦瓶,热电偶、FPZ-1型多量程直流数字电压表、游标卡尺、停表。
不良导体热导率得测量实验简介导热系数(又叫热导率)就是反映材料热性能得重要物理量。
热传导就是热交换得三种(热传导、对流与辐射)基本形式之一,就是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域得课题、材料得导热机理在很大程度上取决于它得微观结构,热量得传递依靠原子、分子围绕平衡位置得振动以及自由电子得迁移。
在金属中电子流起支配作用,在绝缘体与大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
因此,某种材料得导热系数不仅与构成材料得物质种类密切相关,而且还与材料得微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。
在科学实验与工程设计中,所用材料得导热系数都需要用实验得方法精确测定。
测固体材料热导率得实验方法一般分为稳态法与动态法两类。
实验原理dt时间内通过dS面积得热量dQ,正比于物体内得温度梯度,其比例系数就是导热系数,即:(1)式中为传热速率,就是与面积dS相垂直得方向上得温度梯度,“—”号表示热量由高温区向低温区域,λ就是导热系数,表示物体导热能力得大小、在SI中λ得单位就是W·m-1·K-1、对于各向异性材料,各个方向得导热系数就是不同得(常用张量来表示)、1、不良导体导热系数得测量图1就是不良导体导热系数测量装置得原理图。
设样品为一平板,则维持上下平面有稳定得T1与T2(侧面近似绝热),即稳态时通过样品得传热速率为:(2)为样品上表面得面积,(T1—T2)为上、下平面式中h B为样品厚度,S BR2B得温度差,λ为导热系数。
在实验中,要降低侧面散热得影响,就需要减小h。
因为待测平板上下平面得温度T1与T2就是用传热圆筒A得底部与散热铜盘C得温度来代表,所以就必须保证样品与圆筒A得底部与铜盘C得上表面密切接触。
实验时,在稳定导热得条件下(T1与T2值恒定不变),可以认为通过待测样品盘B得传热速率与铜盘C向周围环境散热得速率相等。
因此可以通过C盘在稳定温度T2附近得散热速率,求出样品得传热速率。
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 dxdTdt 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 hT T dt dQ21--=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 2附近的冷却速率dtdT。
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。
实验2—18 不良导体导热系数的测定导热系数,工程上又称热导率,是描述材料性能的一个重要参数,在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。
由于材料结构的变化对导热系数有明显的影响,导热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义,而且对新材料的研制和开发也具有重要意义。
测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。
测量良导体和不良导体导热系数的方法各有不同。
对于良导体,常用流体换热法测量所传递的热量,计算导热系数;对于不良导体,通过测量传热速率,间接测量所传递的热量,计算导热系数。
稳态平板法是测量不良导体导热系数的一种常用方法。
【实验目的】1.掌握不良导体导热系数的测定方法——稳态平板法。
2.利用物体的散热速率求传热速率。
3.了解相关仪器及热电偶测温度。
【实验仪器】本实验所用仪器有:实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、热电偶、电压表、秒表等。
实验装置如图2—18—1所示,在支架D 上先后放上圆铜盘C 、待测样品B 和厚底紫铜圆筒A 。
在A 的上方用红外灯L 加热,使样品上、下表面各维持稳定的温度T 1、T 2,它们的数值分别用各自的热电偶E 来测量,E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H 内的冰水混合物中。
G 为双刀双向开关,用以变换上、下热电偶的测量回路,电压表F 用以测量温差电势。
【实验原理】热传导理论指出,只要物质内部的温度不均匀,便有热量传递。
根据热传导定律,沿直线Z 方向,在dt 时间内通过垂直于L 方向上的面积元ds 传递的热量为dSdt dZdT dQ λ-=式中负号表示热量沿着温度降低的方向传递;dZdT 是温度梯度;λ为导热系数。
对于一个厚度为h 、面积为S 的圆形板状的不良导体,若维持上、下面稳定的温度图2-18-1T 1和T 2,其侧面绝热,则在时间∆t 内,沿着与S 面垂直方向上传递热量Q ∆可表示为 t S hT T Q ∆-=∆21λ (2-18-1)本实验装置如图2—18—1所示,由上述热传导基本公式通过待测样品B 板的传热速率可写成:221B BR h TT tQ ⋅⋅-⋅=∆∆πλ (2—18—2)式中h B 为样品厚度,R B 为样品圆板的半径,T 1为样品圆板上表面的温度,T 2为其下表面的温度,λ为样品B 的导热系数。
不良导体热导率的测量引言导热率是一个物质在导热过程中传递热量的能力的度量指标。
热导率的测量对于许多工业和科学领域都具有重要意义。
在研究材料的热传导特性、优化能源利用、设计热障涂层等方面都需要准确测量导热率。
本文将探讨如何测量不良导体材料的热导率,为相关领域的研究提供参考。
测量原理不良导体材料通常指的是热导率较低的材料,如聚合物、涂层材料等。
这些材料的热传导主要是通过分子振动来传递热量的。
传统的热导率测量方法,如热板法、热管法等在测量不良导体热导率时存在一定的问题,因为这些方法主要适用于导热率较高的材料。
因此,采用其他测量方法来测量不良导体的热导率是必要的。
电法测量电法测量是一种直接测量不良导体热导率的方法。
该方法利用材料的电阻率和热传导之间的关系,通过测量材料的电阻率来间接推断其热导率。
电阻率与热导率之间的关系可由热传导定律和欧姆定律得出。
电法测量方法简单、直接,适用于不同形状和尺寸的样品。
但是,该方法在高温条件下会有较大误差,因为高温下材料的电阻率和热导率有较大的变化。
横向热流法横向热流法是一种间接测量不良导体热导率的方法。
该方法利用加热片在材料表面加热,测量样品表面和背面的温度差,通过热传导定律计算热导率。
横向热流法适用于测量热导率较低的材料,且不受样品尺寸和形状的限制。
但是,该方法需要较长的时间来达到热稳定状态,且对温度测量的精度要求较高。
热比热容法热比热容法是一种间接测量不良导体热导率的方法。
该方法利用材料的热容和热传导之间的关系,通过测量材料的热容和温度随时间的变化来计算热导率。
热比热容法适用于测量各种形状和尺寸的样品,对温度测量的要求较低。
但是,该方法在测量过程中需要考虑样品表面热辐射和对流的影响,所以测量结果可能会有一定误差。
测量实验为了验证以上测量方法的有效性,我们进行了一系列实验来测量不良导体的热导率。
实验材料我们选择了两种常见的不良导体材料作为实验样品,分别是聚苯乙烯(PS)和聚四氟乙烯(PTFE)。
实验名称:不良导体导热系数的测定目的:1.学习一种测量不良导体热导率的方法。
2.学习导热系数实验仪。
为了准确测量加热板和散热器的温度,两个传感器应涂导热硅脂或硅油,以使传感器与加热板和散热板完全接触;另外,在加热橡胶样品时,为了达到稳定的传热效果,调节底部的三个微调螺丝,使样品与加热板和散热板紧密接触,注意不要有气隙。
在中间;并且不要将螺丝拧得太紧而影响样品的厚度。
2.导热系数实验仪的铜板下方的风扇用于强制对流传热,以减小样品侧面和底部之间的放热率,增加样品内部的温度梯度,从而减少实验误差。
因此,在实验期间必须打开风扇。
[实验原理]导热系数是表征材料导热系数的物理量。
材料结构的变化和杂质的不同对材料的热导率有明显的影响,因此材料的热导率经常需要通过实验来测量。
测量导热系数的实验方法一般分为两种:稳态法和动态法。
在稳态方法中,首先使用热源加热样品。
样品内部的温差使热量从高温传递到低温。
样品中每个点的温度都会随着加热速度和传热速度的变化而变化。
通过适当控制实验条件和参数,可以平衡加热和传热的过程。
可以在室内形成稳定的温度分布,据此可以计算出导热系数。
在动态方法中,样品中的最终温度分布会随时间变化,例如周期性变化。
变化的周期和幅度还受实验条件和加热速度的影响,并且与热导率有关。
在本实验中,通过稳态法测量了不良导体(橡胶样品)的热导率,并学习了通过物体的散热率计算出导热率的实验方法。
1898年首先通过平板方法(一种稳态方法)测量不良导体的热导率。
在实验中,将样品制成平板,其上端面与稳定的均匀加热体完全接触,而下端面与均匀的散热器接触。
由于板样品的侧面面积比板平面的侧面面积小得多,因此可以认为热量仅沿上下方向垂直传递,而从侧面散发的热量可以忽略不计。
也就是说,样品中样品平面的垂直方向上仅存在温度梯度,并且在同一平面中的各处温度都相同。
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:
(2)
式中hB为样品厚度,S B R2B为样品上表面的面积,(T1-T2)为上、下平面的温度差,λ为导热系数。
在实验中,要降低侧面散热的影响,就需要减小h。
因为待测平板上下平面的温度T1和T2是用传热圆筒A的底部和散热铜盘C的温度来代表,所以就必须保证样品与圆筒A的底部和铜盘C的上表面密切接触。
实验时,在稳定导热的条件下(T1和T2值恒定不变),可以认为通过待测样品盘B的传热速率与铜盘C向周围环境散热的速率相等。
因此可以通过C盘在稳定温度T2附近的散热
速率,求出样品的传热速率。
在读取稳态时的T1和T2之后,拿走样品B,让C盘直接与传热筒A底部的下表面接触,加热铜盘C,使C盘温度上升到比T2高10℃左右,再移去传热筒A,让铜盘A通过外表面直接向环境散热(自然冷却),每隔一段时间记下相应的温度值,求出C盘在T2附近的冷却
速率。
对于铜盘C,在稳态传热时,其散热的外表面积为,移去传热筒A后,C盘的散热外表面积为,考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例,所以有:
(3)
式中R C和h C分别为C盘的半径和高度。
根据热容的定义,对温度均匀的物体,有:
(4)
对应铜盘C,就有。
m铜和c铜分别是C盘的质量和比热容,将此式代入式(3)中,有:
(5)
比较式(5)和(2),便得出导热系数的公式:
(6)
m铜、h B、R B、h C、R C、T1和T2都可由实验测量出准确值,本实验所用黄铜盘比热容为0.3709kJ/kg·K,因此,只要求出,就可以求出导热系数λ。
实验仪器:
本实验的主要仪器有:
主仪器
自耦调压器
数字电压表
杜瓦瓶
游标卡尺
电子秒表
主仪器:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示:
拖动桌面上的橡胶盘可拖至主仪器的支架上
点击红外灯可调节红外灯的高度,在调节前应移除红外灯上的连线
点击保温筒可调节保温筒的位置,在调节前应将红外灯移至最大位置,并且同时移除加热铜盘上的连线
点击双刀双掷开关,可改变开关的位置
自耦调压器:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示:
鼠标左键或右键点击调压旋钮,调节输出电压。
数字电压表:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示:
点击电源开关可打开或关闭数字电压表
点击大视图中的相关按钮,可进行相应的设置及调节(按下调零按钮,可点击调零旋钮对其进行调零;调零后即可选择合适的档位进行测量)
杜瓦瓶:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器游标卡尺:
实际照片和程序中的显示
实物照片仿真仪器
操作提示:
可以拖动副尺部分,改变测量卡口张开的大小
可以用鼠标左键或者右键点击锁定旋钮,来锁住或者解锁副尺
电子秒表:
实际照片和程序中的显示
实物照片仿真仪器
操作提示:
鼠标点击开始暂停按钮可以开始或者暂停计时
鼠标点击复位按钮可以对秒表复位
实验内容:
本实验的主要内容为测量橡胶盘的导热系数。
1.观察和认识传热现象、过程及其规律。
(1)用游标卡尺测量铜盘和橡胶盘的直径及厚度,多次测量,并求出平均值。
(2)熟悉各仪表的使用方法,按图1连接好仪器。
(3)接通自偶调压器电源,缓慢转动调压旋钮,使红外灯电压逐渐升高,为缩短达到稳定态的时间,可先将红外灯电压升到200V左右,大约5min之后,再降到110V左右,然后每隔一段时间读一次温度值,若10min内T1和T2的示值基本不变,则可以认为达到稳定状态。
记下稳态时的T1和T2值。
随后移去橡胶盘B,让散热C盘与传热筒A的底部直接接触,加热C盘,使C盘的温度比T2高约10℃左右,把调压器调节到零电压,断开电源,移去传热筒A,让C盘自然冷却,每隔30s记一次温度T值,选择最接近T2前后的各6个数据,填入表格中。
2.用逐差法求出铜盘C的冷却速率,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。
4.用方程回归法进行线性拟合,求解冷却速率及其误差,将结果代入式(6)中,计算橡胶盘的导热系数λ。
思考题:
1 试分析实验中产生误差的主要因素以及实验中是如何减小误差的?
2傅里叶定律(传热速率)是不易测准的量。
本实验如何巧妙地避开了这一难题?。