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不良导体的导热系数的测定实验..
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不良导体的导热系数的测定实验报告
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探讨导热系数实验中实验条件对实验结果的影响
    [摘 要]本文阐述了用 fd-tc-b 型导热系数测定仪，采用稳态法测定不良导体的导热系数时环境温度 、工作温度以及待测样品与散热盘、加热盘间的距离对不良导体导热系数值的影响。通过实验测定和计算我们可以知道，在实验中待测样品的导热系数值会随环境温度的变化而发生微小的变化;待测样品的导热系数值受工作温度的影响很小;随着待测样品与散热盘、加热盘间的距离的增大，样品的导热系数值会逐渐变小。1.基本概念1.1 导热系数导热系数又称热导率是表征物质热传导性质的重要物理量，导热系数的数值就是每单位时间内，每单位长度、温度降低 1℃时，每单位面积上所通过的热量, 导热系数的 si 单位：瓦特每米开尔文，即 w/mk，它与材料的结构和杂质的含量有关。同时，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用 。研究材料的导热性质，在科学研究和工程应用中是一个重要课题，凡联系到新型材料的开发，设备及装置的热设计等方面都离不开它，对于不同材料的不同性质(非金属不良导体;金属良导体)可采用不同的测试研究方法。1.2 导热系数的测定方法测定材料导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法, 通常根据被测材料的物理特性或条件来设计制造导热系数的测量装置。常用的有球体法、平板法、圆柱或圆管法等;一类是动态法，则是根据加热方式，分为正常情况法、线热源法、片面热源法和闪光法等等。1.2.1 稳态法在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。1.2.2 动态法在动态法中，利用热源对样品加热，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化、变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。根据材料导热性能的不同，做成试样的形状也不同，还有加热方式也不同。平板法是测定低热导率物质的传统方法。作为平板法除可采用上述稳态测量外也可采用动态法测量，往往动态测量比稳态测量较为优越，主要是测量时间较短，热损的影响较小，这在常温尤其高温测量中更为重要。动态法也可分为两类，即周期的和暂态的，取决于供给试样热能的方式是有固定周期的调制，或者是瞬时的 。一般的说采取这种方法使温度的测量成为相对测量，因而温度探测器不需要做精确的校准。70年代国外发展应用的激光脉冲法测定固体材料导热系数的方法，现在在国内也有应用，其优点不仅在于此，还在于测试的样品可以做的很小，测试周期很短，只需要几十秒钟等等。2.导热系数的实验测定原理和计算2.1 实验原理早在 1882 年，法国科学家丁?傅里叶就提出了热传导定律，目前各种测量导热系数的方法都建立在傅里叶热传导定律基础上。当物体内部各处温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传向较低处，这种现象称为热传导。热传导定律指出：如果热量是沿着 z 方向传导，那么在 z轴上任一位置 zo 处取一个垂直截面积 ds，以dtdz表示在 z 处的温度梯度，以dqdt表示该处的传热速率(单位时间内通过截面积 ds 的热量)，那么热传导定律可表示成：式中的负号表示热量从高温区向低温区传导(即热传导的方向与温度梯度的方向相反)，比例数 & 即为导热系数，可见导热系数的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过截面单位面积的热量。1898 年 c.h.lees 首先利用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其端与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为 &1和 &2，根据傅里叶传导方程，在 &t 时间内通过样品的热量 &q 满足下式：式中 & 为样品的导热系数，hb为样品的厚度，s 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为 db，则由式(2-1-2)得：实验装置如图 1 所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘 p，散热盘 p 可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品 b，样品 b 上放置一个圆盘状加热盘 c，其面积也与样品 b 的面积相同，加热盘 c 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度 &1和 &2不变，这时可以认为加热盘 c 通过样品传递的热流量与散热盘 p 向周围环境散热量相等。因此，可以通过散热盘 p 在稳定温度 &2时的散热速率来求出热流量&q&t。实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度 &1和 &2后，将样品 b抽去，让加热盘 c 与散热盘 p 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的 &2值 20℃或者 20℃以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度 & 随时间 t 的下降情况，求出散热盘在 &2时的冷却速率&q&t&=&2，则散热盘 p 在 &2时的散热速率为其中 m 为散热盘 p 的质量，c 为其比热容。在达到稳态的过程中，p 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘 p 的散热速率的表达式应作面积修正：其中 rp为散热盘 p 的半径，hp为其厚度。由式(2&3)和式(2&5)可得：所以样品的导热系数 & 为：2.2 导热系数的计算样品：橡皮散热盘比热容(紫铜)：c=385j/(kg* k) 散热盘质量：=891.42g散热盘厚度 hp(多次测量取平均值)所以散热盘厚度：hp=7.66散热盘直径 dp(多次测量取平均值);所以散热盘半径：rp=65.00橡皮样品厚度 hb(多次测量取平均值)所以橡皮样品厚度：hb=8.06橡皮样品的直径 db(多次测量取平均值)所以橡皮样品的直径：db=129.02稳态时(10 分钟或更长时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变)样品上下表面的温度值 &1和 &2分别为：80.0℃，44.5℃;每隔 10 秒记录一次散热盘在风扇作用下冷却时的温度值如表 5：作冷却曲线得到：取临近 &2温度的测量数据求出冷却速率将以上数据代入式(2&7)计算得到：查阅相关资料知：橡皮在 20.8℃的条件下测定导热系数为 0.13-0.23 w/(mk)所以相对误差是 12.3%。3.实验条件对实验结果的影响3.1 环境温度对样品导热系数值的影响在工作温度为 80℃时，测量样品在不同的环境温度(15℃、17℃、20℃、20.2℃、20.8℃、21℃)下的导热系数。经过实验测定可知：15℃时样品的导热系数是 0.13w/17℃时样品的导热系数是 0.13w/20℃时样品的导热系数是 0.13w/20.2℃时样品的导热系数是 0.114w/20.8℃时样品的导热系数是 0.10w/21℃时样品的导热系数是 0.10w/实验结果发现样品的导热系数值在环境温度起伏很小的情况下，环境温度对结果几乎没有影响。3.2 工作温度对样品导热系数值的影响在环境温度为 15℃时，测量样品在不同的工作温度(75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃)下的导热系数。经过实验测定可知：75℃时样品的导热系数是 0.114w/76℃时样品的导热系数是 0.114w/77℃时样品的导热系数是 0.114w/78℃时样品的导热系数是 0.114w/79℃时样品的导热系数是 0.114w/80℃时样品的导热系数是 0.13w/综上可知样品的导热系数随工作温度的变化几乎不发生变化。3.3 待测样品与散热盘、加热盘间的距离对导热系数值的影响我们在加热盘 c 和散热盘 p 间人为造成一个大缝隙(如下图 3)，由于缝隙的存在，在空隙与热源接触的边界层内温度下降。用加热盘温度和散热盘温度代替样品上下表面的温度带来的系统误差，使得测量的& 的结果偏小。另外，&q&t这一项应该是在单位时间内通过样品传递的热量，测量中此项以稳定导热下的散热盘的散热速率代替了，使实际上由于空隙的存在，式中 &r2p+2&rphp还应加一项即 &r2p+2&rphp+s(s 为样品下表面与散热盘间空隙所占铜板的面积)。因为在代公式时分子数值代入的偏小，导致&q&t偏小，使计算的 & 的结果偏小。4.结论通过这次开放性实验的测定和计算我们可以得出影响待测样品导热系数的主要因素：工作温度对各类待测样品的导热系数均有影响，因为温度升高时，待测样品固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，在温度为正常范围内并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。测量的装置应该放在没有热源以及空气对流比较小的环境中。当环境温度起伏较小时，待测样品的导热系数值会随环境温度的变化发生微小的变化但其变化值并不显著。随着待测样品与散热盘、加热盘间的距离的增大，样品的导热系数值会逐渐变小。参考文献[1]谢行恕,康士秀,霍剑青主编.大学物理实验第二册[m].高等教育出版，2001:86 页[2]龚振雄,刘雪林主编.普通物理实验指导[m].北京大学出版社，-189 页[3]孟祥省,李冬梅,姜琳主编.大学普通物理实验[m].济南:山东大学出版社， 页[4]朱世坤,聂宜珍主编.二级物理实验[m].北京:科学出版社,2005[5]李正平,王广泰,李冬梅主编.新编大学物理实验[m].北京:中国石化出版社,1998[6]李雅丽,方靖淮主编.大学物理实验教程[m].南京:南京大学出版社,2006.12[7]林抒,龚镇雄主编.普通物理实验[m].人民教育出版社,1981[8]h.f.迈纳斯,w.埃彭斯泰,k.h.穆尔著.挥瑛,曹恕,潘人培等译.普通物理实验[m].科学出版社,1987[9]冯毅,梁满兵.稳态平板导热系数测定仪的误差分析[j].广州化工,2006,01 期[10]孙平，汪梅芳.对不良导体导热系数测量原理的修正[j].物理与工程,2001,03 期[11]导热系数的测定实验中冷却速率的测量[j].广西物理，2006，01期[12]不良导体导热系数测定实验中仪表风扇对实验结果的影响[j].大学物理实验，2006，03 期本文作者：李维玲
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梧州学院学生实验报告
成绩： 指导教师： 专业： 班别： 实验时间： 实验人： 学号： 同组实验人： 实验名称：不良导体的导热系数的测定
1、学习测定不良导体的导热系数的一种方法。
2、学会F D―T C―B导热系数测定仪。
实验仪器：
1、实验主机（内有加热器）
含单片机温度控制仪
2、橡皮样品
3、散热铜盘
4、数字温度传感器
5、导热硅脂
仪器图组：
注意事项：
1．为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘紧密接触，注意不要中间有空气隙；也不要将螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。
2．导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要打开。
【实验原理】 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。
测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动
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