仿真實驗之導熱系數(shù)的測定

浙江海洋學院物理仿真實驗報告實驗名稱：導熱系數(shù)的測定指導老師：魯曉東專業(yè)：數(shù)學與應用數(shù)學班級：B10數(shù)學學生姓名：于祥雨遲云強學號：100601108100601106實驗日期：2011/9/27【實驗目的】：了解熱傳導現(xiàn)象的物理過程。學習用穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導體的導熱系數(shù)。用作圖法求冷卻速率?！緦嶒炘怼浚寒斘矬w內部有溫度梯度存在時，就有熱量從溫度高處傳遞到溫度低處，這種現(xiàn)象稱之為熱傳導。J·Fourier在研究了固體的導熱現(xiàn)象后，建立了熱傳導定律。他指出，在物體內部取兩個垂直于熱傳導方向，彼此相距為的平行面，兩平面的單位面積為，溫度分別為和，則有：（1）式中為傳熱速率，為與面積相垂直的方向上的溫度梯度，“-”表示熱量由物體高溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域，即為導熱系數(shù)，它表征著物體導熱能力的大小。對于一個厚度為，上下表面的面積為的平板樣品，維持上下平面有穩(wěn)定的溫度和，這時通過樣品的導熱速率為：（2）式中為樣品的導熱系數(shù)。在實驗中，要降低側面散熱的影響，就需要減小。因為待測平板上下平面的溫度和是用傳熱圓筒C的底部和散熱銅盤A的溫度來代表，所以就必須保證樣品與圓筒C的底部和銅盤A的上表面密切接觸。實驗時，在穩(wěn)定導熱的條件下（和值恒定不變），可以認為通過待測樣品盤B的熱傳速率與銅盤A向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此可以通過A盤在穩(wěn)定溫度附近的散熱速率求出樣品的傳熱速率。在讀取穩(wěn)態(tài)時的和之后，拿走樣品B，讓A盤直接與傳熱筒C的底部下表面接觸，加熱銅盤A，使A盤溫度上升到比高左右，再移去傳熱筒C，讓銅盤A通過外表面直接向環(huán)境散熱（自然冷卻），每隔一段時間記下相應的溫度值，求出A盤在附近的冷卻速率。對于銅盤A，在穩(wěn)定傳熱時，其散熱的外表面積為：，移去傳熱筒C后，A盤的散熱外表面積為，考慮到物體的散熱速率與它的散熱面積成正比，所以有：(3)式中和分別為A盤的半徑和高度。根據(jù)熱容的定義：對溫度均勻的物體有：(4)對應銅盤A，就有。、分別為A盤的質量和熱容，將此式代入(3)中就有：(5)比較公式(5)和(2)，便得出導熱系數(shù)的公式：(6)都可以由實驗測量出準確值，已知的常數(shù)，=0.0883cal/g,因此求出，就可以求出導熱系數(shù)?！緝x器與用具】：物理天平，游標卡尺，不良導熱材料的導熱系數(shù)測定裝置（如下圖）A．散熱銅盤（銅盤一側開有一個小孔，用于放置熱電偶），B.待測樣品，C.銅質厚底圓筒(在底部一側有一小孔用于放置熱電偶，圓筒外包有隔熱層)，D.固定紅外燈的支架，E.用以加熱的紅外燈，F(xiàn).固定A盤的支架，G.測溫用的數(shù)字電壓表，H.雙刀雙擲開關，I.插入銅盤和圓筒底部的熱電偶(兩支)，J.杜瓦瓶，內裝冰水混合物，為熱電偶的冷端(參考點)?！緦嶒灪喗椤浚簩嵯禂?shù)（又稱導熱率）是反映材料導熱性的忠言物理量。導熱是熱交換三種基本形式（導熱、對流和輻射）之一，是工程熱物理、材料物理、固體物理及能源、環(huán)保等各個領域的課程之一。材料的導熱機理在很大取決于它的微觀結構，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動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體中則以晶體振動起主導作用。因此，某種材料的導熱系數(shù)不僅與構成材料的物質密切相關，而且還與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質含量相關系。在科學實驗個工程設計中，所用的材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。1822年法國科學家J·傅里葉奠定了熱傳導理論，目前各種測量導熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律的基礎之上，從測量的方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導體的導熱系數(shù)?！緦嶒瀮热荨?觀察和認識傳導現(xiàn)象，過程及其規(guī)律。自擬數(shù)據(jù)表格，用卡尺測量銅盤A和樣品B的厚度及直徑，用物理天平測出A盤的質量。多側測量上述各物理量，并求出平均值和誤差。熟悉各儀表的使用方法。按線路圖連接好儀器。將熱電偶插入A盤和C筒底部側面的小孔內時，要注意是熱電偶與A盤和C筒底部保持良好接觸。在熱電偶涂上硅油后，輕輕的將它插入小孔的底部。熱電偶的冷端置入保溫瓶的冰水混合物中。接通調壓器電源，緩緩轉動調壓手輪，使紅外燈電壓逐漸升高，為縮短穩(wěn)定態(tài)的時間，可先將紅外燈電壓升到200V左右，大約20分鐘之后，在降到150V左右，然后每個人一段時間讀一次溫度示值，若10分鐘內和的示值基本不變，則可認為達到穩(wěn)定態(tài)。記下穩(wěn)定態(tài)時的和值。然后移去樣品盤B，讓散熱A盤與傳熱筒C的底部直接接觸，加熱A盤，使A盤的溫度高于，約10℃左右，把調壓器調節(jié)到零電壓，斷開電源，移去傳熱筒C，讓A盤自然冷卻，每隔30s記一次溫度值，選擇最接近前