b2不良导体热传导率测量(准稳态法)实验报告.docx

预习 操作记录 实验报告 总评成绩 《大学物理实验(II)》课程实验数据记录 学院： 物理学院 专业：光电信息科学与工程 年级：15 实验人姓名(学号)：李法翰 日期： 2016年 12月 20日 星期二 上午[ ] 下午[ √ ] 晚上[ ] 室温：24℃ 相对湿度：46% 实验B2不良导体热传导率的测量（准稳态法） 【实验目的】 了解准稳态法测量导热系数和比热的原理. 学习热电偶测量温度的原理和使用方法. 用准稳态法测量不良导体的导热系数和比热. [ 原理概述 ] 热传导是热传递三种基本方式之一。导热系数定义为单位温度梯度下每单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W / (m? K)。它表征物体导热能力的大小。 比热是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质，在温度升高（或降低）1 度时所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热,单位为J/（kg·K）。 测量导热系数和比热通常都用稳态法，使用稳态法要求温度和热流量均要稳定，但在实际操作中要实现这样的条件比较困难，因而会导致测量的重复性、稳定性、一致性较差，误差也较大。为了克服稳态法测量的这些弊端，本实验使用了一种新的测量方法——准稳态法，使用准稳态法只要求温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到导热系数和比热。 准稳态法测量原理 考虑如图1 所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为２R，初始温度为t0，现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度qc，则平板各处的温度t(x,???)将随加热时间??而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表达如下： 式中a ??λ?ρc，λ为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c 为材料的比热。 可以给出此方程的解为： 考察t(x,τ?)的解析式（2）可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而逐渐变小，直至所占份额可以忽略不计。 定量分析表明，当以后，上述级数求和项可以忽略。这时式（2）可简写成： 这时，在试件中心处有x ??0，因而有： 在试件加热面处有x ??R，因而有： 由式（4）和（5）可见，当加热时间满足条件时，在试件中心面和加热面处温度和加热时间成线性关系，温升速率都为此值是一个和材料导热性能和实验条件有关的常数，此时加热面和中心面间的温度差为： 由式（6）可以看出，此时加热面和中心面间的温度差⊿t和加热时间?没有直接关系，保持恒定。系统各处的温度和时间呈线性关系，温升速率也相同，我们称此种状态为准稳态。 当系统达到准稳态时，由式（6）得到 根据式（7），只要测量进入准稳态后加热面和中心面间的温度差⊿t，并由实验条件确定相关参量qc 和R ，则可以得到待测材料的导热系数λ。 另外在进入准稳态后，由比热的定义和能量守恒关系，可以得到下列关系式： 比热为： 式中为准稳态条件下试件中心面的温升速率（进入准稳态后各点的温升速率是相同的）。 由以上分析可得：只要在上述模型中测量出系统进入准稳态后加热面和中心面间的温度差和中心面的温升速率，即可由式（7）和式（9）得到待测材料的导热系数和比热。 热电偶温度传感器： 热热电偶结构简单，具有较高的测量准确度，测温范围为－50～1600°C，在温度测量中应用极为广泛。由A、B 两种不同的导体两端相互紧密的连接在一起，组成一个闭合回路，如图2（a）所示。当两接点温度不等（TT0）时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势。 理论分析和实践证明热电偶的如下基本定律： 热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个接点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的尺寸与形状无关（热电极的材质要求均匀）。 在A、B 材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，只要引入的第三导体两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。在实际测温过程中，需要在回路中接入导线和测量仪表，相当于接入第三导体，常采用图2（b）或2（c）的接法。 热电偶的输出电压与温度并非线性关系。对于常用的热电偶，其热电势与温度的关系由热电偶特性分度表给出。测量时，若冷端温度为0℃，由测得的电压，通过对应分度表，即可查得所测的温度。若冷端温度不为零度，则通过一定的修正，也可得到温度值。在智能式测量仪表中，将有关参数输入计算程序，则可将测得的热电势直接转换为温度显示。 实验测量方法 测量仪器必须尽可能满足理论模型。而模型中的无限大平板条件通常是无法满足的，实验中总是要用有限尺寸的试件来代替。但实验表明：当试件的横向尺寸大于厚度的六倍以上时，可以认为传热方向只在试件的厚度方向进行。为了精确地确定加热面的热流密度q c ，