良导体导热系数的测定(讲义).doc

实验六 良导体导热系数的测定 热量传输有多种方式，热传导是热量传输的重要方式之一，也是热交换现象三种基本形式（传导、对流、辐射）中的一种。导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一，它不仅是评价材料热学特性的依据，也是材料在设计应用时的一个依据。熔炼炉、传热管道、散热器、加热器，以及日常生活中水瓶、冰箱等都要考虑它们的导热程度大小，所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。 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。导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程技术中对材料的导热系数常用实验的方法测定。 测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测良导体导热系数的实验方法。稳态法是通过热源在样品内部形成一个稳定的温度分布后，用热电偶测出其温度，进而求出物质导热系数的方法。 一、实验目的 1、掌握稳态法测良导体导热系数的方法,观察和认识传热现象与过程,理解傅里叶导热定律。 2、了解冷却速率、散热速率、导热速率的关系，用作图法求冷却速率，计算良导体的导热系数。 3、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。 二、实验仪器 YBF－2型导热系数测试仪，杜瓦瓶（保温杯），测试样品（硬铝）、塞尺、游标卡尺、物理天平。 三、实验原理 1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上．测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量良导体的导热系数。 当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。傅立叶指出，在dt时间内通过dS面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即： （1） 式中为导热速率，是与面积dS相垂直的方向上的温度梯度，“—”号表示热量由高温区域传向低温区域，即为导热系数，它表示物体导热能力的大小，在SI中的单位是。对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。 如图3所示，A、C是传热盘和散热盘，B为样品盘，设样品盘厚度为，半径为，上、下表面的面积为。维持上下平面有稳定的温度（侧面近似绝热），这时通过样品的导热速率为： （2） 由上式可得： 在实验中，要降低侧面散热的影响，就要减小，因为待测平板B上下表面的温度是用传热铜盘A的底部和散热铜盘C的温度来代表，所以就必须保证样品盘B与传热盘A的底部和散热盘C的上表面密切接触。 图３　　　　 图４ 实验时，在稳定导热的条件下（值恒定不变），可以认为通过待测样品B盘的导热速率与铜盘C向周围环境散热的速率相等。因此可以通过测C盘在稳定温度附近的散热速率，得出样品的导热速率。 在稳态时读取之后，取走样品盘B，让散热盘C直接与传热盘A的下表面接触，加热散热铜盘C，使C盘温度上升到比高12℃左右，再移去传热盘A，让铜盘C通过外表面直接向环境散热（自然冷却），当C盘温度降至比高10℃时开始计时（计为），并读取此时C盘温度（即＋10℃）,以后每隔30秒测一次C盘温度,直到温度比低10℃为止，记下此时时间（计为）和C盘温度（即-10℃），然后以时间为横坐标，以C盘温度T为纵坐标，做C的冷却曲线如图4所示，取和的中点,即，找出对应的时刻，过点（t, ）作冷却曲线的切线，得出、（如图），则此切线的斜率就是C在附近的冷却速率，为负表示散热。 对于铜盘C，有传热盘A且稳态传热时，其散热的外表面积为，移去传热盘A后，C盘的散热外表面积为,考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例，设有A盘时的散热速率为，移去A盘时的散热速率为，则有： （3） 式中和分别为C盘的半径和厚度。 根据比热容的定义，对温度均匀的物体，有 (4) 对应铜盘C，就有 （5） 和分别为C盘的质量和比热容，将（5）式代入（3）式中，有：