熱學(xué)實(shí)驗(yàn)3 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)三不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)是反映材料熱性能的物理量，導(dǎo)熱是熱交換（導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射）三種基本形式之一，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個(gè)研究領(lǐng)域的課題，要認(rèn)識(shí)導(dǎo)熱的本質(zhì)和特征，就需要了解材料的導(dǎo)熱機(jī)理。而目前對(duì)導(dǎo)熱機(jī)理的理解大多數(shù)來自固體物理的實(shí)驗(yàn)。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動(dòng)以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。因此，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定，因此，在加熱器、散熱器、管道熱傳遞設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐中具有實(shí)際意義。1882年法國物理學(xué)家約瑟夫·付里葉(Joseph·Fourier)奠定了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)之上，從測(cè)量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，本實(shí)驗(yàn)采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律及散熱速率的概念；2．學(xué)習(xí)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)；3．掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測(cè)量的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器和用具】智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，調(diào)壓器，熱電偶，保溫杯，電加熱盤，游標(biāo)卡尺，待測(cè)樣品。【實(shí)驗(yàn)原理】當(dāng)溫度不同的兩個(gè)物體相接觸，或物體內(nèi)部溫度梯度存在時(shí)，物體間或物體內(nèi)部就會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。描述熱傳導(dǎo)規(guī)律的基本方程——付里葉方程，即當(dāng)熱流在x方向流動(dòng)時(shí)，可用一維方程描述，其形式為：（2-1）其中，為在dt時(shí)間內(nèi)，熱流穿過面元的傳熱速率，是沿面元垂直方向的溫度梯度，“—”表示熱量傳遞方向是從高溫傳向低溫方向。為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，其物理含義是：在單位時(shí)間內(nèi)，每單位長(zhǎng)度上溫度降低1K時(shí)，單位面積上通過的熱量。單位用W/（m·K）表示。如圖1所示為一塊厚度為、面積為S不良導(dǎo)體樣品為一平板，當(dāng)維持其上下表面為恒定的溫度、（＞），且樣品板很薄時(shí)，沿方向上的兩點(diǎn)很靠近，若面S上各點(diǎn)處的熱傳導(dǎo)方向不變，且側(cè)面近似絕熱，則在很短的時(shí)間內(nèi)穿過面積S的熱量可近似表示為：（2-2）式中，為樣品在面積S垂直方向上的傳熱速率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖2所示。A為電加熱盤,熱量通過A的底部經(jīng)待測(cè)樣品B向下傳遞，C為接收經(jīng)樣品傳遞過來熱量的鋁盤，A、C上開有小孔以備插入熱電偶測(cè)量樣品盤上下表面相對(duì)冷端H的溫差電動(dòng)勢(shì)，可選用數(shù)字電壓表G讀取。F是調(diào)壓變壓器，用來調(diào)節(jié)輸出電壓大小，控制電加熱快慢。圖2為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱性，加熱面、待測(cè)樣品、散熱盤（鋁盤C）均為等大圓形，故通過待測(cè)樣品盤傳熱速率為：（2-3）、為樣品盤上下表面的溫度，R為樣品盤半徑。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，、的溫度值不變，熱源通過樣品盤B的傳熱速率與散熱盤C向周圍環(huán)境的散熱速率相等，因而可以通過散熱盤在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速率來求出樣品盤的傳熱速率。若散熱盤的質(zhì)量為m、比熱為c，則散熱盤在附近的散熱速率為（2-4）由于自然冷卻速率是散熱盤全部表面暴露于空氣中時(shí)的數(shù)值，散熱的外表面積應(yīng)為，、分別為散熱盤的直徑和厚度，在穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱盤的上表面是被樣品盤覆蓋，此時(shí)散熱盤的外表面積應(yīng)為，散熱速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱速率應(yīng)為：（2-5）用散熱速率取代傳熱速率，則式2-3成為：（2-6）本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶來測(cè)定樣品盤上下表面的溫度，溫差100℃時(shí)，是4mV。若沒有智能導(dǎo)熱系數(shù)儀時(shí)，應(yīng)配用量程0—10mV的數(shù)字電壓表，要求能夠測(cè)到0.01mV。設(shè)熱電偶的溫差系數(shù)為，則熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)為，保持冷端溫度為T0=273.16K，對(duì)熱端溫度、分別有（2-7）其中，、分別是樣品盤上下表面溫度所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。又由溫差電動(dòng)勢(shì)公式可得（2-8）將式（2-7）、（2-8）代入式（2-6）中，并將樣品盤、散熱盤的半徑用直徑表示D=2R、則得（2-9）散熱盤的質(zhì)量m可由實(shí)驗(yàn)室給出，、及、用游標(biāo)卡尺測(cè)得；電動(dòng)勢(shì)的下降速率可用數(shù)字電壓表和秒表測(cè)出?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.記錄散熱盤的質(zhì)量m和鋁的比熱容c=896J·kg-1·K-1，用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣品盤和散熱盤的直徑、及厚度、，每個(gè)量多次測(cè)量取平均；2.按照?qǐng)D2安裝好儀器，并連接好測(cè)量線路。當(dāng)然這需要鋁盤與樣品表面的緊密接觸，無縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度測(cè)量不準(zhǔn)確；3.打開智能導(dǎo)熱系數(shù)儀接通調(diào)壓器的交流電源，用電加熱盤給待測(cè)樣品盤加熱。先將調(diào)壓器調(diào)到100V,加熱20分鐘后，再將電壓調(diào)到60V穩(wěn)定加熱；4.此時(shí)儀器上交替顯示樣品上下表面的溫度（分別為A和B）。這時(shí)可輸入?yún)?shù)：按下“Rb”鍵，等Rb顯示消失后輸入樣品的值，按“OK”鍵確認(rèn)；按下“Hb”鍵，等Hb鍵顯示消失后輸入樣品的值，按“OK”鍵確認(rèn)；若輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，可按“Del”鍵修改該數(shù)據(jù)；5.在升溫過程中，注意觀察溫度示數(shù)，改變電壓使、基本沒有變化時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此刻的溫度后，按下“OK”鍵，輸入數(shù)字“1”表示第一步升溫到穩(wěn)定狀態(tài)完成，、數(shù)值得到確認(rèn)；6.抽出待測(cè)樣品盤，使加熱盤A和鋁盤C接觸加熱，當(dāng)鋁盤C溫度升高10℃左右后，移去加熱盤A，讓鋁盤C自然冷卻，按下“OK”鍵，輸入數(shù)字“2”表示第二步鋁盤C自然冷卻，此時(shí)的溫度、計(jì)時(shí)點(diǎn)已確認(rèn)；7.在等待鋁盤C自然冷卻時(shí)，注意觀察當(dāng)儀器顯示的溫度臨近的溫度值時(shí)，按“”鍵，記錄待測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。*8.讓鋁盤C自然冷卻時(shí)，當(dāng)C盤溫度降至比高8℃時(shí)開始計(jì)時(shí)（計(jì)為），并讀取此時(shí)C盤溫度（即＋8℃）,以后每隔一分鐘測(cè)一次C盤溫度,直到溫度比低8℃為止，記下此時(shí)時(shí)間（計(jì)為）和C盤溫度（即-8℃），然后以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以C盤溫度為縱坐標(biāo)，做C的冷卻曲線，?。?℃和-8℃的中點(diǎn),即，找出對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，過曲線上的點(diǎn)（t,）做切線，且得出、，則此切線的斜率就是C在時(shí)的自然冷卻速率，為負(fù)表示散熱。*9.讓鋁盤C自然冷卻時(shí)，當(dāng)C盤溫度降至比高8℃時(shí)開始計(jì)時(shí)（計(jì)為），并讀取此時(shí)C盤溫度（即＋8℃）,以后每隔一分鐘測(cè)一次C盤溫度,直到溫度比低8℃為止，記下此時(shí)時(shí)間（計(jì)為）和C盤溫度（即-8℃），然后用逐差法求冷卻速率。t/s060120180240300360420............即【注意事項(xiàng)】1.取放電加熱裝