不良導體的導熱系數的測定

關于不良導體的導熱系數的測定第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

導熱系數又稱熱導率，是表征物質熱傳導性質的物理量，測定材料的導熱系數在設計和制造加熱器、散熱器、傳熱管道、冰箱、節(jié)能房屋等工程技術及很多科學實驗中都有非常重要的應用。良導體:導熱系數大、導熱性能好的材料不良導體:導熱系數小、導熱性能差的材料橡膠為0.22W.m-1.K-1

約為不良導體的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，金屬的導熱系數比非金屬的要大，固體的導熱系數比液體的要大，氣體的導熱系數最小。因為材料的導熱系數不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響導熱系數的數值，所以在科學實驗和工程技術中對材料的導熱系數常用實驗的方法測定。測量導熱系數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)法測量不良導體的導熱系數。第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【

實驗目的】

1.學習一種測量不良導體導熱系數的方法-穩(wěn)態(tài)法；體會繞過不便測量的量（使用參量轉換法）的設計思想。2.學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】

游標卡尺（0~150mm，△游=0.02mm）、MCTH20型不良導體系數實驗儀(散熱盤質量△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】

傅里葉熱傳導方程ST1T2h圖2.5-1均勻圓柱體忽略導體的側面無熱量散失，相同的時間內流過各截面的熱量必然相等，這時整個導體呈動態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)。導熱系數傳熱速率第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熱系數原理圖2.5-2樣品熱傳導穩(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，聯立式2.5.2和式2.5.3，得由上式可知，關鍵是求散熱盤在穩(wěn)態(tài)溫度T2附近時的冷卻速率

，由式2.5.5可得樣品的導熱系數

。（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式應乘以面積因子進行修正，導熱系數有（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【實驗內容】

1用游標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。數據記錄見表格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，進入熱平衡，打開加熱開關，當T2的數值在10分鐘之內幾乎不變化，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【實驗內容】4

熱平衡后，關閉加熱開關，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），當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【實驗內容】5按“QUIT”鍵退出，關閉加熱開關，取走上銅盤，進入“冷卻”選項，讓下銅盤自然冷卻，當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【實驗內容】6

“列表”：分別查看三個實驗過程的數據，按上下鍵翻頁。“曲線”：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

，并計算樣品的導熱系數。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，數據記錄如下：(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等精度數據第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內容】8計算樣品的導熱系數實驗最佳值樣品在273K時導熱系數的參考值任意溫度下的標準值我們按室溫

計算標準值，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時導熱系數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)導熱？如何判定實驗達到了穩(wěn)定導熱狀態(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)測量時有什么內在聯系？【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)導熱”全稱“穩(wěn)定狀態(tài)導熱”，亦稱“穩(wěn)定導熱”。物體內各點的溫度不隨時間而變化的導熱過程。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內保持不變，判斷實驗達到了穩(wěn)定導熱狀態(tài)。2.傳熱速率：單位時間內通過物體橫截面的熱量；散熱速率：物體單位時間內散失的熱量；冷卻速率：單位時間內物體溫度的減少量。三者之間的聯系：根據熱傳導定律測