不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)的測定

關(guān)于不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)的測定第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量，測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)在設(shè)計和制造加熱器、散熱器、傳熱管道、冰箱、節(jié)能房屋等工程技術(shù)及很多科學(xué)實驗中都有非常重要的應(yīng)用。良導(dǎo)體:導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料不良導(dǎo)體:導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料橡膠為0.22W.m-1.K-1

約為不良導(dǎo)體的102～103倍，例如銅為4.0×102W.m-1.K-1

第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大，固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因為材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中對材料的導(dǎo)熱系數(shù)常用實驗的方法測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【

實驗?zāi)康摹?/p>

1.學(xué)習(xí)一種測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法-穩(wěn)態(tài)法；體會繞過不便測量的量（使用參量轉(zhuǎn)換法）的設(shè)計思想。2.學(xué)會用最小二乘法求散熱速率。第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗儀器】

游標(biāo)卡尺（0~150mm，△游=0.02mm）、MCTH20型不良導(dǎo)體系數(shù)實驗儀(散熱盤質(zhì)量△m=1g，溫度△T=0.01℃)第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月加熱后【

實驗原理】

傅里葉熱傳導(dǎo)方程ST1T2h圖2.5-1均勻圓柱體忽略導(dǎo)體的側(cè)面無熱量散失，相同的時間內(nèi)流過各截面的熱量必然相等，這時整個導(dǎo)體呈動態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)。導(dǎo)熱系數(shù)傳熱速率第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月用穩(wěn)態(tài)法間接測量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)原理圖2.5-2樣品熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)時：樣品任一橫截圓面的傳熱速率（不計樣品盤的向空氣散發(fā)熱量）及等于散熱盤的散熱速率，樣品

上下表面分別維持在穩(wěn)定溫度

。(2.5.2)樣品任一橫截圓面的傳熱速率為第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月散熱盤在溫度

時的散熱速率由下式給出

其中，c為散熱盤銅盤材料的比熱容，

為散熱盤的質(zhì)量，

表示散熱盤在溫度

冷卻速率。散熱盤在穩(wěn)定溫度

附近時的散熱速率為(2.5.3)第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)傳熱達到一種穩(wěn)定狀態(tài)時，聯(lián)立式2.5.2和式2.5.3，得由上式可知，關(guān)鍵是求散熱盤在穩(wěn)態(tài)溫度T2附近時的冷卻速率

，由式2.5.5可得樣品的導(dǎo)熱系數(shù)

。（2.5.5）測量冷卻速率的方法：自然冷卻法第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮到冷卻速率還與散熱面積成正比，2.5.5式應(yīng)乘以面積因子進行修正，導(dǎo)熱系數(shù)有（2.5.6）其中

為下銅盤半徑，hp為下銅盤厚度第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】

1用游標(biāo)卡尺分別測出樣品盤（橡膠盤）和散熱盤的直徑

、

與厚度

、

各測6次，然后取平均值。數(shù)據(jù)記錄見表格2.5.1。2按下圖所示連接實驗裝置。第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】圖2.5-4開機后LCD顯示圖2.5-5熱平衡過程LCD顯示3打開主機背部電源開關(guān)，進入熱平衡，打開加熱開關(guān)，當(dāng)T2的數(shù)值在10分鐘之內(nèi)幾乎不變化，便可以視為達到熱平衡。記錄熱平衡時兩盤的溫度T1、T2。第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】4

熱平衡后，關(guān)閉加熱開關(guān)，按“QUIT”鍵退出，將樣品從銅板中間取出，讓上銅盤貼近下銅盤，然后進入“再升溫”選項直接加熱下銅盤（打開加熱開關(guān)），當(dāng)T2高于下銅盤平衡溫度10度后，顯示“OK”。如圖2.5-6所示，箭頭對應(yīng)溫度為下銅盤平衡溫度。圖2.5-6再加熱過程LCD顯示第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】5按“QUIT”鍵退出，關(guān)閉加熱開關(guān)，取走上銅盤，進入“冷卻”選項，讓下銅盤自然冷卻，當(dāng)T2低于下銅盤平衡溫度10度后，顯示“OK”，如圖2.5-7所示。圖2.5-7冷卻過程LCD顯示第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】6

“列表”：分別查看三個實驗過程的數(shù)據(jù)，按上下鍵翻頁?！扒€”：分別回放三個實驗過程采集的T-t曲線，并顯示平衡時上下溫度。7在

值臨近處上下各取三個溫度值，用最小二乘法求出銅盤的冷卻速率

，并計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月熱平衡時，加熱盤溫度散熱盤溫度冷卻過程中，數(shù)據(jù)記錄如下：(s)(℃)表2.5.2平衡溫度以及冷卻時時間、溫度記錄第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月表2.2等精度數(shù)據(jù)第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】8計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)實驗最佳值樣品在273K時導(dǎo)熱系數(shù)的參考值任意溫度下的標(biāo)準(zhǔn)值我們按室溫

計算標(biāo)準(zhǔn)值，并和平均值比較計算出相對誤差。第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月相對誤差注：上式中為樣品在300K時導(dǎo)熱系數(shù)為實驗計算的最佳值第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【注意事項】

1.在測試散熱盤的散熱速率時，取走樣品之前，一定要先關(guān)掉電源，然后再讓加熱盤與散熱盤接觸，同時絕不能用手去碰觸加熱盤與散熱盤。小心操作！注意安全，避免燙傷。2.實驗結(jié)束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以免影響實驗的精度。第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實驗達到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)？2什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者在穩(wěn)態(tài)測量時有什么內(nèi)在聯(lián)系？【分析思考】第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱”全稱“穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱”，亦稱“穩(wěn)定導(dǎo)熱”。物體內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。穩(wěn)態(tài)時，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩(wěn)定值。實驗中根據(jù)樣品上下表面的溫度（即加熱盤和散熱盤的溫度）連續(xù)10min內(nèi)保持不變，判斷實驗達到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。2.傳熱速率：單位時間內(nèi)通過物體橫截面的熱量；散熱速率：物體單位時間內(nèi)散失的熱量；冷卻速率：單位時間內(nèi)物體溫度的減少量。三者之間的聯(lián)系：根據(jù)熱傳導(dǎo)定律測