實驗報告 導熱系數(shù)的測量

實驗報告用穩(wěn)態(tài)平板法測定不良導體的導熱系數(shù)物理科學與技術學院13級弘毅班吳雨橋2013301020142導熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導性質(zhì)的物理量。材料結構的變化與所含雜質(zhì)的不同對材料導熱系數(shù)的數(shù)值有明顯的影響，因此材料的導熱系數(shù)常常需要由實驗去具體測定。測量導熱系數(shù)的實驗方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本實驗使用穩(wěn)態(tài)法。先利用熱源對樣品加熱，樣品內(nèi)部的溫差使得熱量從高溫向低溫傳導，樣品內(nèi)部各點的溫度將隨加熱快慢和傳熱快慢的影響而變動；當適當控制實驗條件和和實驗參數(shù)使加熱和傳熱的過程達到平衡狀態(tài)，則待測樣品內(nèi)部可能形成穩(wěn)定的溫度分布，根據(jù)這一溫度分布就可以計算出導熱系數(shù)。【實驗目的】(1)用穩(wěn)態(tài)平板法測定不良導體的導熱系數(shù)。(2)利用物體的散熱速率求傳熱速率?！緦嶒炂鞑摹繉嶒炑b置、紅外燈、調(diào)壓器、杜瓦瓶、數(shù)字式電壓表。【儀器介紹】本實驗裝置如圖，在支架D上先后放上圓銅盤C、待測樣品B和厚底紫銅圓筒A，在A的上方用紅外燈L加熱，使樣品上下表面各維持穩(wěn)定的溫度T1、T2，它們的數(shù)值分別用各自的熱電偶E來測量，E中的冷端浸入盛于杜瓦瓶H內(nèi)的冰水混合物中，G為雙刀雙向開關，用以變換上下熱電偶的測量回路，數(shù)字式電壓表F用以測量溫差電動勢。【實驗原理】導熱是物體相互接觸時，由高溫部分向低溫部分傳播熱量的過程。當溫度的變化只是沿著一個方向（設z方向）進行時，熱傳導的基本公式可寫為dQ=-λ(dTdz)z0dSdt，它表示在dt時間內(nèi)通過dS面積的熱量為dQ，λ為導熱系數(shù)，它的大小由物體本身的物理性質(zhì)決定，單位為Wm-1K-1B為待測物，它的上下表面分別和上下銅盤接觸，熱量由高溫銅盤通過待測物B向低溫銅盤傳遞。若B很薄，則通過B側面向周圍環(huán)境的散熱量可以忽略不計，則熱量只沿著垂直B的方向傳遞。那么，在穩(wěn)定導熱（即溫度場中的各點的溫度不隨時間而變）的情況下，在?t時間內(nèi)，通過面積為S、厚度為L的勻質(zhì)圓板的熱量為?Q=-λ?TLS?t，式中，?T為勻質(zhì)圓板兩板面的恒定溫差。若把其寫成?Q/?t=-λ?TLS的形式，那么?Q/?t為待測物的導熱速率，只要知道了導熱速率，即可求出經(jīng)過對理論細節(jié)的推導，可得λ=-cmKL(D+4δ)m為下銅盤的質(zhì)量，c為下銅盤的比熱容，L為勻質(zhì)圓板的厚度，D為下銅盤直徑，δ為下銅盤厚度，T1為上銅盤溫度，T2為下銅盤溫度，K為冷卻速率?！緦嶒瀮?nèi)容】(1)用游標卡尺多次測量下銅盤的直徑D、厚度δ和待測物厚度L，然后取其平均值。下銅盤質(zhì)量m由天平稱出，其比熱容c=3.850*102J*(Kg(2)安置圓筒、圓盤時，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶、數(shù)字毫伏計位于同一側。熱電偶插入小孔時，要抹些硅油，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插在滴有硅油的細玻管浸入冰水混合物中。(3)根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，必須得到穩(wěn)定的溫度分布，這就要等待較長的時間，為了提高效率，可先將紅外燈的電源電壓升高到180~200V，加熱約20min后再降至130~150V.然后，每隔5min讀一下溫度示數(shù)，如在一段時間內(nèi)（如10min）樣品上、下表面溫度T1、T2示數(shù)都不變，即可認為已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄穩(wěn)態(tài)時T1、T2值后，移去樣品，再加熱。當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時，移去圓筒，讓下銅盤自然冷卻。每隔30s讀一次下銅盤的溫度示數(shù)，最后選取臨近T2的測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。(4)本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100℃時，其溫差電動勢約為4.0mV，故應該配用量程0~10mV，并能精確到0.01mV的數(shù)字電壓表。由于熱電偶冷端溫度為0℃，對一定材料的熱電偶而言，當溫度變化范圍不太大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（℃）的比值為一個常數(shù)，因此，可以直接用電動勢值代表溫度值。(5)計算導熱系數(shù)λ?！緦嶒灁?shù)據(jù)】橡膠盤：半徑RB=12DB=4.9632(cm測量次數(shù)12345平均DB/cm9.9169.9529.9029.9109.9529.9264hB/cm0.8640.8640.8660.8660.8640.8648散熱盤p:質(zhì)量m=665(g)半徑：Rp=12Dp=4.9014(cm測量次數(shù)12345平均Dp/cm9.8009.8049.7809.8109.8209.8028hp/cm1.0000.9900.9901.0000.9920.9944穩(wěn)態(tài)時T1、T2的值：T1平均=__82.06__℃T2平均=___58.2___℃測量次數(shù)12345T1（℃）82.182.082.082.182.1T2（℃）58.358.258.058.358.2散熱速率：每間隔30s測一次時間/s0306090120150180210T3（℃）63.963.262.561.861.160.459.759.1線性擬合曲線T=-0.02306t+63.88K=-0.02306℃/s將數(shù)據(jù)代入λ=-cmKL(D+4δ)πD2(T1-T2)(D+2δ)/2=0.1657【誤差分析】系統(tǒng)誤差儀器誤差：1.測量長度時用到了游標卡尺，其有最小精度，帶來測量誤差。2.溫度無法達到穩(wěn)定，總會有一定的波動。3.質(zhì)量的測量精度太低。隨機誤差：1.讀溫度和長度時有隨機因素使得測量不精確?！咀⒁馐马棥?.上下銅盤側面的小孔內(nèi)要放置導熱性能好的油脂，如黃油等，熱電偶要完全插入油中底部，以保持熱電偶接點和銅盤接觸良好。2.紅外燈的電源電壓不得超過210V.【習題】1.穩(wěn)定導熱條