良導體導熱系數(shù)測量實驗

1、實驗二 良導體導熱系數(shù)測量實驗導熱系數(shù)是表征物質熱傳導性質的物理量。熱傳導是熱交換的三種（熱傳導、對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環(huán)保等各個研究領域的課題，材料的導熱機理在很大程度上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格振動起主導作用。在科學實驗和工程設計中，所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。本實驗儀采用穩(wěn)定流動法測量良導體(黃銅)的導熱系數(shù)，測量原理是傳統(tǒng)的，而測量方法是新穎的。一、實驗目的1了解穩(wěn)定流動法測定黃銅的導熱系數(shù)基本原理，掌握其實驗要

2、點；2了解液位控制器的控制原理及流速調節(jié)；3測定黃銅樣品熱傳導平穩(wěn)時的四個溫度值，用穩(wěn)定流動法測定黃銅的導熱系數(shù)。二、實驗儀器FD-CHM-A型良導體導熱系數(shù)測量實驗儀由實驗儀主機箱（內含良導體黃銅樣品、四個集成溫度傳感器、鉑電阻溫度傳感器、電加熱器、PID溫控單元、液晶顯示模塊）及具有流速控制功能的水箱等組成。圖-1 良導體黃銅樣品三、實驗原理 設有一粗細均勻的金屬圓柱體，其一端為高溫端，另一端為低溫端，測定時熱量將從高溫端流向低溫端。高溫端被加熱一段時間之后，若圓柱體上各處的溫度不變，而且向圓柱體側面散失的熱量也可以忽略時，則在相等的時間內，通過圓柱體各橫截面的熱量應該相等，這種狀態(tài)稱為熱

3、量穩(wěn)定流動狀態(tài)。如圖1所示，假設通過截面的熱量多于通過截面的熱量，則在兩個截面之間的一段圓柱體上就有熱量的積聚，溫度就要升高，既然圓柱體上各處的溫度不變，則說明通過各截面的熱量必然相等。圖2 良導體導熱系數(shù)測定的原理圖通過圓柱體各橫截面的熱量在熱量穩(wěn)定流動狀態(tài)下，在時間內，沿圓柱體各截面流過的熱量Q按傅里葉熱傳導方程有 （1）（1）式中：S為圓柱體橫截面積，、為橫截面、處的溫度，為二截面間距離，比例系數(shù)即為被測材料的導熱系數(shù)。導熱系數(shù)的大小表示物質單位長度內溫度差為1時，在單位時間內通過單位截面所傳導的熱量，單位為。由方程（1）可知，測定良導體導熱系數(shù)的關鍵問題是維持熱量穩(wěn)定流動狀態(tài)與測定t時

4、間內從圓柱體棒中所傳過的熱量Q。常使用穩(wěn)定流動法，即使棒的一端保持穩(wěn)定的高溫，另一端用溫度一定，流動速度一定的冷水來吸收棒中傳導過來的熱量。在熱量穩(wěn)定流動狀態(tài)下，t時間內流出的冷卻水質量為m，其溫度由流入時的升高到，則被水帶走的熱量 （2）（2）式中c為水的比熱容。將式(1)以及(d為圓柱體直徑）代人式(2)便可求出，即 （3）（3） 式中、可用高精度的數(shù)字式的溫度傳感器測量。 為了實現(xiàn)熱量通過樣品穩(wěn)定流動的目的，儀器采用三項措施：（1）保持實驗時通過圓柱體各處的熱量恒定，防止從圓柱體側面向外界散發(fā)熱量，將整個圓柱體用保溫材料纏繞并放在保溫箱中；（2）高溫端熱源采用溫控器穩(wěn)定熱端的溫度，以利于

5、縮短試樣熱流達到穩(wěn)定所需的時間；（3）采用液位控制器使流入儀器的冷卻水保持恒定的水壓，使冷卻水的流速穩(wěn)定，從而較長時間保持待測樣品熱流恒定。這三項措施保證公式（1）方程的滿足，減小實驗誤差。4、 實驗內容1、學習傳感器的定標方法；液位控制器的控制原理及冷卻水流速的調節(jié)方法；1學習液位控制器的控制原理及冷卻水流速的調節(jié)方法；2、理解穩(wěn)定流動法測量良導體導熱系數(shù)的原理；3、用穩(wěn)定流動法測量良導體銅的導熱系數(shù)。5、 實驗步驟(1)根據液位控制器的原理連接流水管道，插上電源，開啟電源開關；(2)同過主機箱上“溫度控制”的兩個按鍵設置樣品熱端的加熱溫度，開始對樣品一端進行加熱；(3)在最上方的水箱內盛入

6、冷水，中間的水箱開始蓄水，當中間水箱的水開始從中心的管道下漏時，可認為中間水箱的水位基本恒定。然后調節(jié)流速控制器，使得單位時間內有適量的穩(wěn)定流速的水流過樣品的冷卻端；(4)觀察樣品上A、B、D、C四點相應的溫度值為、變化，四個溫度基本穩(wěn)定后方可測量數(shù)據；(5)樣品待測四個溫度基本穩(wěn)定，五分鐘內溫度值波動在0.5之內（加熱端的溫度示值可能波動較大，但不影響實驗），記錄待測四個溫度值，把干的三角型盛水器放在天平上稱其質量；(6)將盛水器擱置在下方盛水箱一角，盛接樣品冷卻端流出的熱水，同時按下主機箱上的“開始/停止”鍵，測量樣品冷卻端在一定時間內流出的熱水的質量，同時再記錄樣品上A、B、D、C四點的溫度值；(7)將測量的數(shù)據填入數(shù)據表格，并進行數(shù)據處理；(8)可以改變冷卻水的流速或者樣品熱端的溫度，多次做實驗，并驗分析實驗結果。六、注意事項1防止流速控制器下方盛水箱中的水溢出；2實驗用的水要干凈，不能帶有殘渣，以防止堵塞管道；3用手指彈動水流管道，可排除管道中的氣泡；4使用完畢后，應將所有水箱及管道內的水排干；5若出水速度過慢，可用針型器物或者注射器對各管道接口進行疏通。七、實驗記錄表1 良導體導熱系數(shù)測量溫度/測量開始測量結束平均八、數(shù)據處理1統(tǒng)一單位制。2數(shù)據處理。（1）黃銅圓柱體直徑(多次測量取平均值)為 mm，樣品上A、B之間的距離L(多次測量取平均