非良导体热导率的测量
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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。
《实验11 非良导体热导率的测量》实验报告一、实验目的和要求1、 学习热学实验的基本知识和技能。
2、 学习测量非良导体热导率的基本原理和方法。
3、 通过做物体冷却曲线和求平衡温度下物体的冷却速度,加深对数据图示法的理解。
二、实验描述测定物体的热导率对于了解物体的热传导性能具有重要意义,稳态法以及如何建立稳态过程也是科学实验常用的方法之一。
三、实验器材电子天平(0.1g ,0.1-999.9g )、游标卡尺(0.02mm ,20.000cm )、EH-3数字化热学实验仪、待测装置(包括待测薄圆板、两个与待测圆板同直径的铝圆柱)、加热电源和温度传感器。
四、实验原理热从物体温度高的部分沿着物体传到温度较低的部分,称为热传导,它是由物体直接接触而产生的。
热导率是反映热传导性能的一个物理量,热导率大的物体具有较好的导热性能。
假设有一厚度为L ,底面积为S 0的薄圆板,上下两底面的温度T 1、T 2不相等,且T 1>T 2,则有热量自上而下流动,其热流量可表示为dQ dt=−λ0dT SdL式中,dQ dt φ=为热流量,代表单位时间里流过薄圆板的热量;dTdL为薄圆板内热流方向上的温度梯度,式中的负号表示热流方向与温度梯度的方向相反,λ为热导率,它是一个常数。
如果能保持上下底。
面的温度不变(这种状态称为稳恒态)和传热面均匀。
则210T T dQS dt Lφλ-==- 由上式得到021()/S T T Lφλ=--φ图1 测量样品所以,关键是:①整个过程中保持稳恒态;②测出稳恒态的热流量。
(1) 建立稳恒态为了实现稳恒态,实验中将待测圆板至于两铝圆柱之间,上面的圆柱作加热装置,通过待测装置给下面的圆柱传热,保持上圆柱的温度一定,经过一定的时间,则可以保证下圆柱的温度亦为一稳定值,这样就建立了所需要的稳恒态。
(2)、测定热流量本实验中只需测出下圆柱的散热速率即可,当下圆柱单独存在时,他在稳恒态的温度下的散热速率为=cmn φ自式中,c 为下圆柱的比热容;m 为它的质量,n 为稳恒温度T 2时的冷却速度。
不良导体热导率的测定实验报告一、实验目的1、了解热传导现象的基本规律。
2、学习用稳态法测量不良导体的热导率。
3、掌握热电偶测温的原理和方法。
二、实验原理当物体内存在温度梯度时,热量会从高温处向低温处传递,这种现象称为热传导。
对于一个厚度为$d$、横截面积为$S$ 的平板状不良导体,在稳定传热状态下,通过该导体的热流量$Q$ 与导体两侧的温度差$\Delta T$ 成正比,与导体的厚度$d$ 成反比,与导体的热导率$\lambda$ 成正比,即:$Q =\frac{\lambda S \Delta T}{d}$如果在一段时间$\Delta t$ 内通过导体的热量为$Q$,则热导率$\lambda$ 可表示为:$\lambda =\frac{Qd}{S\Delta T \Delta t}$在本实验中,采用稳态法测量热导率。
将待测的不良导体样品制成平板状,放置在加热盘和散热盘之间。
加热盘通过电热丝加热,使热量通过样品传递到散热盘。
当加热盘和散热盘的温度稳定后,样品内的传热达到稳定状态,此时通过样品的热流量等于散热盘在单位时间内散失的热量。
散热盘在稳定温度下的散热速率可以通过测量散热盘的冷却曲线来确定。
当散热盘的温度高于环境温度时,它会向周围环境散热,其散热速率与散热盘的温度和环境温度之差成正比。
三、实验仪器1、热导率测定仪:包括加热盘、散热盘、热电偶、数字电压表等。
2、秒表3、游标卡尺4、电子天平四、实验步骤1、用游标卡尺测量样品的厚度$d$ 和直径$D$,计算出样品的横截面积$S =\frac{\pi D^2}{4}$,用电子天平称出样品的质量$m$ 。
2、将样品放在加热盘和散热盘之间,安装好热电偶,确保热电偶的测量端与样品良好接触。
3、接通电源,调节加热功率,使加热盘和散热盘的温度逐渐升高。
观察数字电压表的读数,当加热盘和散热盘的温度稳定后(温度变化在一定时间内小于$01^{\circ}C$),记录此时加热盘和散热盘的温度$T_1$ 和$T_2$ 。
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。
测量不良导体的导热系数一 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 三 实验原理 (一) 稳态平板法ht Q 21θθλ-A =∆∆ tQ∆∆为热流量,λ为该物质的导热系数,也称热导率,h-样品厚度, A-样品面积。
所谓稳态指的是高温物体传热的速率等于低温物体散热的速率时,系统便处于一个稳定的热平衡状态。
(二) 实验装置及方法d ht Q 2142πθθλ-=∆∆A- 加热铜盘,P-散热铜盘;d-样品盘的直径,h-样品盘的厚度;θ1-加热铜盘的温度,θ2-散热铜盘的温度。
(三) 冷却法测量散热铜盘的散热速率∵ dt d t Q c m P P θ=∆∆散 ;dtd θ 是曲线在θ2点的斜率,如下图∴ ()dt d h d c m P P θθθπλ2124-= 四 实验内容及步骤1、测量样品盘的厚度h 和直径d ,并记录散热铜盘的质量。
2、调节支架上的三个螺丝使它往下降一部份,将散热铜盘放在它的上面,再往上放样品盘,然后将加热器放在样品盘上面,使三个盘紧密接触,然后把加热器固定,再用三个螺丝往上拧,使整个系统固定不动。
3、将热电偶的插头分别插入两对孔中,并打开毫伏计(要调零)判断热端冷端,将热端分别插入加热铜盘和散热铜盘,冷端插入杜瓦瓶中。
4、用220v 电压加热15分钟,再用110v 加热同时打开风扇,大约半小时后每隔壁5分钟观察θ1、θ2的值各一次,直到观察到连续两组的数值不变即可认为系统达到稳态,记录这组数据。
5、重新用220v 电压加热同时关掉风扇,观察θ2的变化,当达到 θ2+0.2mv 时停止加热并移开加热器同时打开风扇。
观察θ2的变化当温度回落到θ2+0.2mv 时开始每隔壁30秒读一次数据直到θ2-0.2mv ,关掉风扇即完成此次操作。
非良导体热导率的测量[对热的不良导体热导率测量中环境影响因素研究]摘要:指出了当前大学物理实验课中学生利用稳态法测量不良导体的热导率时对实验环境的选择不够重视。
在不同实验环境下进行了此实验,比较实验测量结果,发现实验环境选择不恰当对实验结果影响很大,并指出测量不良导体热导率应在室温较高的密闭室,同时将杜瓦瓶部分放置在温度较低的环境里进行测量精确较高。
关键词:热导率;稳态法;环境影响1引言热导率是表示物质导热性能的重要参数,在材料、化工等领域有着重要的用途。
不良导体热导率的测量实验是大学物理实验课中广泛开设的实验项目。
在实验室,测量不良导体热导率一般采用稳态法,所运用的热导率测定仪结构简单、操作方便。
然而在利用热导仪测量不良导体热导率实验过程中,热导率的测量结果受材料成分.[1]、压力、实验环境等多种因素影响,本项目通过具体实验研究实验环境对实验结果的影响程度。
2热导率的计算热导率表示物质热传导性能的好坏,其数值等于两相距单位长度的平行平面上,当温度相差一个单位时,在单位时间内垂直通过单位面积所流过的热量,单位为W/(m·K)。
热导率测定仪稳态法测量热导率的原理是建立在傅里叶导热定律基础上,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布,然后对其进行测量。
实验传热系统见图1,根据傅里叶导热定律,在待测物体内部取两个垂直于热传导的方向、彼此相距h、温度分别为T.1和T.2(设T.1>T.2)的平行平面,若平面面积均为ΔS,则在Δt时间内通过面积ΔS的热量满足下述表达式.[2]:ΔQΔt=η·ΔS·T.1-T.2h.c=η·T.1-T.2h.c·πR.2.c(1)式中η即为该物质的热导率。
式中ΔQΔt表示待测样品截面的热流量,在系统达到稳态时即为散热铜盘的散热率:ΔQΔt=m..BcΔTΔt.T=T2某πR.2.B+2πR.Bh.B2πR.2.B+2πR.Bh.B(2)将式(1)代入式(2),得:η=m..BcΔTΔt.T=T.2某R.B+2h.B(2R.B+2h.B)(T.1-T.2)h.cπR.2.C(3)(3)式中:m.B为散热盘质量;R.B为散热盘半径;R.C为样品半径;h..B为散热盘厚度;h..C为样品厚度;T.1为稳态时加热盘温度;T2为稳态时散热盘温度(图1)。
非良导体热导率的测量实验报告-回复
实验目的:测量非良导体的热导率。
实验仪器:热导率测量仪、样品架、样品、温度计。
实验原理:根据傅里叶热传导定律,当物质内部存在温度梯度(温差),会出现热传导,其热传导量随时间、温度梯度及材料本身导热特性有关,热导率是明确材料导热能力的物理量,定义为单位时间内通过单位横截面积的热流量与温度梯度的比值。
实验步骤:
1. 首先按照实验要求,取一定固定尺寸的石蜡,压制成柱状样品。
2. 随后,将样品放在样品架上,并将样品架放在热导率测量仪中。
3. 接着,设置好实验参数,启动热导率测量仪,并等待温度稳定。
4. 测量开始后,记录下实验中的温度变化数据。
5. 根据实验数据,计算出热传导的热流量,并根据样品的长度、横截面积、时间差和热流量来计算出样品的热导率。
6. 重复多次实验,并取平均值,以提高实验结果精确度。
实验结果:经过多次实验和数据处理,我们得到样品的热导率的平均值为0.23 W/mK。
实验结论:通过实验,我们成功测量了非良导体的热导率,并得到该石蜡样品的平均热导率为0.23 W/mK。
我们可以通过这个实验结果来了解这种材料的导热能力及用途,同时该实验结果可以为其他相关领域的研究提供参考和依据。
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。
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。
非良导体热导率的测量【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非良导体的导热系数并用作图法冷却速率。
导热系数(又称热导率)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已晶格振动起主导作用。
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。
【实验仪器】热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪1.热导率测量的实验装置如图1所示图12. YJ-RZ-4A数字智能化热血综合实验仪的面板如图2所示YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪温度设定上盘温度下盘温度s℃设定温度粗选测量选择远景仪器设定温度细选复位启动加热开关上盘下盘图2【实验原理】1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论,目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。
测量的方法可以分为两大类:稳态法和瞬态法,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。
傅立叶指出,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,起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,“—”号表示热量从高温区域传向低温区域,是导热系数,表示物体导热能力的大小,在SI中的单位是w。
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)。
如图3所示,设样品为一平板,则维持上下平面有稳定的(侧面近似绝热),即稳态时通过样品的传热速率为=(2)式中为样品厚度,=为上表面的面积,()为上、下表面的温度差,为导热系数。
实验十七 稳态法测定非良导体的热导率实验内容1.学习传热学的有关概念和冷却速度的测定方法。
2.了解傅立叶传热定律,测定非良导体的热导率。
教学要求•• 1.了解物理量的间接测量方法。
2.学习用作图法确定瞬态量的方法。
实验器材EH-3数字化热学实验仪,盘式加热器,待测非良导体,温度计(0~500C 和0~1000C 各一支),游标卡尺,电子秒表(具有多次记时功能)。
热传导是热量传播的三种方式之一,它是由物体直接接触而产生的,热导率是反映物体热传导性能的一个物理量,热导率大的物体具有良好的导热性能,称为热的良导体;热导率小的物体则称为热的非良导体。
一般说来,金属的热导率比非金属大,固体的热导率比液体大,气体最小。
测定物体的热导率对于了解物体的传热性能具有重要意义,在建筑物与冷库设计中,经常需要了解材料的热导率,以确定建筑物和冷库的保温能力。
测量有动态与稳态两大类方法,本实验采用稳态法测定非良导体的热导率。
实验原理稳态法测定热导率是利用傅立叶传热定律来进行的。
设有一厚度为L,底面积为S0的薄圆板,上、下两底面的温度分别为T1和T2,且T1>T2,则有热量自上底面传向下底面。
由傅立叶传热定律得:dl dTS dt dQ 0λ-= (17-1) 记dtdQ =ϕ,称为热流速率,•它代表单位时间流过薄圆板的热量。
dl dT 是薄圆板内热流方向上的温度梯度,由于热流方向与温度梯度的方向相反,式中用一个负号来表示。
λ是待测薄圆板材料的热导率,它是由薄圆板的传热性质所决定的常数。
如果能保持上、下两底面温度不变(这种状态称为稳恒态),且传热面均匀(在实际实验中,即要求L 很小或2L 《0S ,薄圆板侧面的散热可以忽略,则LT T l T dl dT 12-=∆∆= (17-2) 将(17-2)式代入(17-1)式得LT T S dt dQ120--==λϕ,整理可得 )(120T T S L--=ϕλ (17-3)由(17-3)式可知,测量热导率λ的关键是:一是在待测薄圆板中建立热传导稳恒态,测出待测薄圆板两底面的稳恒温度;二是测出稳恒态时待测薄圆板内的热流速率ϕ。
非良导体热导率的测量
【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非良导体的导热系数并用作图法冷却速率。
导热系数(又称热导率)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已晶格振动起主导作用。
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。
【实验仪器】
热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪
1.热导率测量的实验装置如图1所示
图1
图2
【实验原理】
1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论,目前各种测量导热系数的方法都是建立
在傅立叶热传导定律的基础之上。
测量的方法可以分为两大类:稳态法和瞬态法,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。
傅立叶指出,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,起比例系数是导热系数,即:
ds dx
dT
dt dQ λ-= (1) 式中
dt dQ 为传热速率,dx
dT
是与面积ds 相垂直的方向上的温度梯度,“—”号表示热量从高温区域传向低温区域,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 1
1
--⨯⨯K m 。
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)。
如图3所示,设样品为一平板,则维持上下平面有稳定的21T T 和(侧面近似绝热),即稳态时通过样品的传热速率为
dt dQ = λB B
S h 2
1T T - (2) 式中B h 为样品厚度,B S =2
B R π为上表面的面积,(21T T -)为上、下表面的温度差,λ为导热系数。
在实验中,要降低侧面散热的影响,就要减小h 。
因为待测平板上下表面的温度2
1T T 和是用加热圆盘C 的底部和散热铝盘A 的温度来代表,所以就必须保证样品与圆盘C 的底部
和铝盘A 的上表面密切接触。
实验时,在稳定导热的条件下(21T T 和值恒定不变),可以认为通过待测样品B 盘的传热速率与铝盘A 向周围环境散热的速率相等。
因此可以通过A 盘在稳定温度2T 附近的散
热速率dt
dT ,求出样品的传热速率dt dQ 加。
图3 图4
在读取稳态时的21T T 和之后,拿走样品B ,让A 盘直接与加热盘C 底部的下表面接触,
T t dt
dQ
=ϕ T/℃T/分
T T
t t a 2 b
加热铝盘A ,使A 盘温度上升到比2T 高6℃左右,再移去加热盘C ,让铝盘A 通过外表面直接向环境散热(自然冷却),当T A 降至比2T 高5℃时止,然后以时间为横坐标,以T A 为纵坐标,做A 的冷却曲线如图4所示,过曲线上的点(t 2, T A )做切线,则次切线的A h 率就
是A 在2T 的自然冷却速率dt dT
=b
a b
a t t T T --。
对于铝盘A ,在稳态传热时,起散热的外表面积为A A A h R R ππ22
+,移去加热盘C 后,A 盘的散热外表面积为22
A R π+h R A π2=A R π2(R A +A h ),考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例,所以有
dt dQ =)
(R 2)2(A A A A A A h R h R R ++ππ⨯dt dQ 加=A A A
A h R h R 222++⨯dt dQ 加 (3)
式中R A 和A h 分别为A 盘的半径和厚度。
根据热容的定义,对温度均匀的物体,有
dt
dQ 加=mc
dt
dT
(4) 对应铝盘A ,就有
dt
dQ 加=m 铝c 铝
dt
dT
, m 铝和c 铝分别为A 盘的质量和比热容,将此式代入(3)中,有
dt
dQ = m 铝c 铝
)(22A A A A h R h R ++⨯dt
dT
(5)
比较式(5)和(2),便得出导热系数和公式: ⨯+-+=
)
)((R 2 )2h (R h c m 212B A A B A A h R T T πλ铝铝
dt
dT
(6) m 铝、c 铝、R B 、A h 、T 1和T 2都可以由实验测量出准确值,c 铝为已知常数,
c 铝=0.904J/(g ⨯℃),因此,只要求出dt
dT
,就可求出导热系数λ。
【实验内容和步骤】
(1)建立稳恒态
○
1如图1、图2所示,安装好实验装置,连接好电缆线,打开电源开关,“测量选择”开关旋至“设定温度”档,调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮,选择设定C 盘
加热为所需的温度(如80℃)值。
○2将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档,打开加热开关,观察C盘温度的变化,直至C盘稳定恒定在设定温度(如80℃)。
○3再将“测量选择开关拨向“下盘温度”档,观察A的温度变化,若每分钟的变化
△T
A ≤0.1℃,则可认为达到稳恒态。
记下此时的A和C的温度T
2
和T
1。
时间测量:按动“启动”钮一下,即开始计时;再按动“启动”钮一下即暂停计时;按动“复位”钮,即归零。
(2)测A盘在T
2
时的自然冷却速度
在读取稳态时的T
1和T
2
之后,拿走样品B,让A盘直接与加热盘C底部的下表面接
触,加热铝盘A,使A盘温度上升到比T
2
高6℃左右,再移去加热盘C,关闭加热开关,“测量选择”开关拨向“下盘温度”档,让铝盘A通过外表面直接向环境散热(自然冷却),每
隔一分钟记下相应的温度值,作出A的冷却曲线,求出A盘在T
2附近的冷却速率
dt
dT。
(3)用游标卡尺测出待测板B的厚度h
B ,以及A的直径2R
A
和厚度
A
h,记下A盘
的质量m
铝。
表一
表二
【思考题】
1. 本实验所用仪器和用具有哪些?如何操作仪器?操作时应注意哪些问题?
2. 分析本实验中各物理量的测量结果,哪一个对实验误差影响较大?
3. 比较稳态法和瞬态法测量导热系数的联系与区别。