不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

1、 . 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定 姚勇 指導(dǎo)教師：專(zhuān)業(yè)年級(jí)： 油氣儲(chǔ)運(yùn)04級(jí)4班 04012401）04012408） 許惠敏（學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)）： 李超云（ 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法 2、了解物體散熱速率與傳熱速率的關(guān)系 3、學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率 4、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測(cè)量的方法 二、實(shí)驗(yàn)原理這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳向較低處，處取一個(gè)軸上任一位置ZZ方向傳導(dǎo)，那么在Z傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著odQdT表示該處的傳熱速度（單位時(shí)間內(nèi)處的溫度梯度，以表示在，以垂直截面積dSZ ?ddt ，那么熱傳導(dǎo)定律可表

2、示成：通過(guò)截在積dS的熱量）dT ）（2.3-1 ）ZdSdt dQ=（o dZ，式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）單位可見(jiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的情況下，比例數(shù)即為導(dǎo)熱系數(shù)，）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需解決兩時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積截面的熱量。利用（2.3-1dT另一個(gè)是如何測(cè)并確定其數(shù)值；個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度 ?ddQ 量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。 dtdT 1、關(guān)于溫度梯度 ?d并把它夾在兩塊良導(dǎo)體為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，T，使兩塊銅板分別保持在恒定溫度銅板之間

3、，如圖2.3-1就可能在垂直于樣品，和T21Dh 表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小于樣品直徑（ ），由于樣品側(cè) 積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱測(cè)定量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良平行平面上各處的溫樣品內(nèi)同導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，就可以確定樣品內(nèi)的溫T、h和兩塊銅板的溫度T度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度21T?T21。當(dāng)然這需要銅板與樣品表面緊密接觸無(wú)縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱度梯度 h 阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。 T（C）0 TK=T12tT2T 22t（s）tt214 /

4、 1 . 2.3-2散熱盤(pán)的冷卻曲線圖傳熱示意圖 圖 圖2.3-1 把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱(chēng)性， 形。dQ 、關(guān)于傳熱速率2 dtdQ我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面積的熱量 dt必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，化為較為容易測(cè)量的量。為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，當(dāng)加熱速率、熱量通過(guò)樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周?chē)h(huán)境散出。此時(shí)低溫側(cè)銅板的散系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，稱(chēng)之為穩(wěn)態(tài)，傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，下散熱的速率，熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2還需要進(jìn)一步作但

5、是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。dT 有關(guān)，其表達(dá)式為參量轉(zhuǎn)換，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率） dtdTdQmc? ）（2.3-2 dtdtT2T2為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)Cm為銅板的質(zhì)量，式中的這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率為常量，量容易直接測(cè)量，C移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)下銅在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，的測(cè)量。銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：，再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到10左右）板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T（大約高出2（見(jiàn)t曲線區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T溫度低于T，測(cè)出溫度在大于T到小于T222 T下的冷卻

6、速率。），曲線在T處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)圖2.3-222dT2（其中Rh+2是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2Rppp dt分別是下銅板的半徑和厚度）然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為和hRpp2）是被樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱Rp 速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：2?h?2RRdQdTpPpmc? ）（2.3-3 = 2?h22RR?dtdtppP 根據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。2 ，可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，并考慮到dS=R2h?R1hdTpp?mc? = （2.3-4） TT?2?dt?2

7、h2RTTR22pp1式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、c為銅的比熱容、Rp和h分別是下銅板的半徑和厚度。（2.3-4）式中的各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量。 p本實(shí)驗(yàn)選用銅一康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差為100時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約為4.0mV。由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為0，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)（mV）與待測(cè)溫度T（）的比值是一個(gè)常數(shù)。因此，在用（2.3-4）公式計(jì)算時(shí)，也可以直接用電動(dòng)勢(shì)代表溫度T。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 YBF2型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，杜瓦瓶，測(cè)試樣品（硬鋁、橡皮）、塞尺、游標(biāo)卡尺、天平。 4 / 2 . 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 1、用游標(biāo)卡尺、天平測(cè)量樣品

8、、下銅盤(pán)的幾何尺寸和質(zhì)量，多次測(cè)量取平均值。 2、先放置好待測(cè)樣品及下銅盤(pán)（散熱盤(pán)），調(diào)節(jié)下圓盤(pán)托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上、下銅盤(pán)接觸良好。安置圓筒、圓盤(pán)時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶在同一側(cè)。熱電偶插入銅盤(pán)上的小孔時(shí)，要抹些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測(cè)溫端與銅盤(pán)接觸良好，熱電偶冷端插在杜瓦瓶中的冰水混合物中。 3、根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，必須得到穩(wěn)定的溫度分布，這就要等待較長(zhǎng)時(shí)間，為了提高效率，可先將電源電壓打到“高”檔，幾分鐘后=4.00mv即可將開(kāi)關(guān)撥到“低”檔，通過(guò)調(diào)節(jié)電1熱板電壓“高”、“低”及“斷”電檔，使讀數(shù)在0.03mv范圍內(nèi)，同時(shí)每隔30秒讀21的數(shù)值，如果在2分鐘內(nèi)樣品下

9、表面溫度示值不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄穩(wěn)2態(tài)時(shí)與，對(duì)應(yīng)的T，T值。 21124、移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅盤(pán)加熱，當(dāng)下銅盤(pán)溫度比T高出10左右時(shí)，移去圓筒，2讓下銅盤(pán)所有表面均暴露于空氣中，使下銅盤(pán)自然冷卻，每隔30秒讀一次下銅盤(pán)的溫度示值并記錄，直到溫度下降到T以下一定值。作銅盤(pán)的Tt冷卻速率曲線，選取鄰近T的22測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率。 5、根據(jù)（2.3-4）式計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。 五、數(shù)據(jù)記錄與處理 1、數(shù)據(jù)記錄 ： 實(shí)驗(yàn)室已知數(shù)據(jù)： 銅板： 質(zhì)量m=843 g 直徑d=13.03 cm 厚度h=0.71 cm 比熱容C=0.09197Calg 橡膠盤(pán)： 直徑d=12.95 cm 厚度

10、h=0.83 cm 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)： （1）數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為180s 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值 T(mv) 14.25 4.26 4.26 4.27 4.26 4.25 4.27 4.26 4.27 4.26 4.261 T(mv) 22.98 2.98 2.99 2.99 2.99 3.01 3.01 3.01 3.01 3.01 2.998 （2） 散熱速率 時(shí)間(s) 30 60 90 120 150 180 210 240 (mv) T22.95 2.91 2.86 2.82 2.78 2.74 2.70 2.66 2、 數(shù)據(jù)處理： T=4.261mv 1 T=2.998mv 2 查表可知： T=（100+0）=100 1 T=（70+2）=72 2 dT成一次線形關(guān)系，在圖上取符合圖解規(guī)定的兩點(diǎn) 因?yàn)樯岬乃俾?dtX(45，2.93) ，X (225，2.68) 21所以散熱的速率為 dT=（2.68-2.93）/（225-45）=（65-71）/180= 0.033 dt代入公式： 4 / 3 . 2h?R1hdTpp?mc? = TT?2?dtTRh2?2T?R22pp1= 0.00287 w/(