穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)

1、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)姓名學(xué)號(hào)班級(jí)桌號(hào)同組人教 室基 1307日期20年月日時(shí)段一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 理解導(dǎo)熱系數(shù)的概念及意義；2. 學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)思想；3. 了解熱電偶測(cè)溫原理。二、實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀（含實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)字電壓表、數(shù)字秒表、PID 自動(dòng)控溫裝置）保溫杯及冰水混合物測(cè)試樣品：橡皮、牛筋、電木，三選二。三、實(shí)驗(yàn)原理1. 熱傳導(dǎo)定律1）導(dǎo)熱是物體相互接觸時(shí)，由高溫部分向低溫部分傳播熱量的過程。當(dāng)溫度的變化只是沿著一個(gè)方向 (設(shè) z 方向 )進(jìn)行時(shí)，熱傳導(dǎo)的基本公式可寫為：dQ=（ 1）它表示在。dT/dz 為；為，它的大小由決定，單位為，它是表征的物理量，

2、式中負(fù)號(hào)表示。2）利用公式（ 1）測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵：在 A、B、P 盤內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/d z的前提下，利用A 盤向 P 盤的熱傳導(dǎo)速率和P 盤向空氣的散熱速率相等進(jìn)行測(cè)量( 圖 1) 。2. 在材料內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度梯度dT/dz將待測(cè)樣品盤B 夾在兩個(gè)銅盤之間形成如圖一所示的 “三明治” 結(jié)構(gòu)， 熱量由加熱的高溫銅盤A 通過樣品盤 B 向低溫銅盤 P 傳遞，若 B 盤很薄，通過側(cè)邊向周圍環(huán)境的散熱可以忽略，則可視為“三明治”結(jié)構(gòu)內(nèi)熱流沿垂直盤面方向傳遞。石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第1頁共6頁穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)上下銅盤溫度保持不變時(shí)，此時(shí)可視為穩(wěn)定導(dǎo)熱，即在材料內(nèi)部

3、建立起了穩(wěn)定的溫度梯度。設(shè) A 、 P 銅盤溫度為T1、T2，樣品盤厚度為h，則溫度梯度可近似表示為：dT =T=T2 T1（ 2）dzhhT 1、T 2、 h、 s 可測(cè)，只要測(cè)量出傳熱速率K=dQ/dt，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)。（請(qǐng)思考 實(shí)驗(yàn)采用圓形銅盤作為加熱和散熱盤的原因并回答第六部分中的思考題。）3. 傳熱速率 K=dQ/dt 的測(cè)定（ 1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)法的特點(diǎn)，為維持材料內(nèi)部穩(wěn)定的溫度梯度分布，必須使整個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)的輸入熱量和散出熱量相等，即整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱量傳遞的動(dòng)態(tài)平衡，于是通過樣品的傳熱速率等于低溫下銅盤在溫度 T2 的散熱速率。（ 2）閱讀教材，簡(jiǎn)要闡述實(shí)驗(yàn)中用下銅盤在溫度T2 時(shí)

4、的降溫速率代替散熱速率的實(shí)驗(yàn)思想，并推導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)用公式。石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第2頁共6頁穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶測(cè)上下銅盤溫度，所使用的數(shù)字電壓表集成在了儀器上，其溫度與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系見實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后附表銅 康銅熱電偶分度表。注意：必須明確和注意電熱爐設(shè)定溫度、爐溫、熱電偶1 和熱電偶2 所測(cè)溫度之間的區(qū)別和聯(lián)系。1 用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品厚度，多次測(cè)量取平均值，記錄下銅板的幾何尺寸、質(zhì)量（刻在下銅盤側(cè)面）、比熱容等物理量；2 安裝樣品和上下銅盤形成“三明治 “結(jié)構(gòu)， 注意將樣品適度夾緊，銅盤與樣品盤之間不要留有空隙 。熱電偶插入測(cè)溫小孔底部，使熱電

5、偶測(cè)溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插入冰水混合物中。3 手動(dòng)控溫法要求手動(dòng)控制并保持電熱爐的爐溫在60 oC 左右 ，利用手動(dòng) “高低檔位 ”和 “斷電檔位 ”把爐溫控制在 60 oC 左右；從高溫的上銅盤通過材料層傳給下銅盤的熱量大于下銅盤散出的熱量，下銅盤溫度逐漸升高。上銅盤通過材料層傳給下銅盤的熱量等于下銅盤散出的熱量，下銅盤溫度不再升高，系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)。（觀察下銅盤的溫度變化，5 分鐘不變，可視為達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)） 。記錄上下銅盤熱電偶電壓VT1、VT2（單位 mV ）。4 用自動(dòng)控溫法 測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。 設(shè)置電熱爐的設(shè)定溫度為60 ， 將電熱爐 “自動(dòng) ”檔打開，等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)出熱

6、電偶電壓VT1、 VT2 值。5移去樣品，直接加熱下銅盤到60oC 以上，然后移去上銅盤及材料盤，讓下銅盤自然冷卻。當(dāng)下銅盤溫度達(dá)到 60 oC 附近后，每隔30 s 讀一次下銅盤的溫度示值 (要求在 T 2 上下各有 3組以上有效數(shù)據(jù) )。利用記錄的數(shù)據(jù)，用最小二乘法(手機(jī) APP 中有計(jì)算工具 )得到下銅盤在T2 溫度的自然冷卻速率 K。6查附表得到熱電偶電壓值對(duì)應(yīng)的溫度，換算為絕對(duì)溫度值，分別計(jì)算兩種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。注意：自動(dòng)升溫較慢時(shí)，可先用手動(dòng)高檔加熱，臨近60時(shí)再轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制；自動(dòng)控溫顯示的是電熱爐內(nèi)置熱電偶測(cè)得的爐絲溫度，與電壓表換算出的上銅盤溫度通常不一致（二者定標(biāo)位置不同），

7、實(shí)驗(yàn)中記錄上銅盤溫度作為T1。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、材料盤厚度測(cè)量要求 3 次測(cè)量，銅盤的半徑、質(zhì)量厚度等數(shù)據(jù)在盤側(cè)面刻印，銅的比熱在教材中查。相關(guān)數(shù)據(jù)用表格表達(dá)。石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第3頁共6頁穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)2、分別用手動(dòng)方式、自動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，并記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)的材料層上下表面的溫度。表 3溫度測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如下表。樣品名稱上銅盤下銅盤熱偶電壓 (mV)熱偶電壓 (mV)（手動(dòng)）oo上盤溫度 (C)下盤溫度 ( C)熱偶電壓 (mV)熱偶電壓 (mV)（自動(dòng)）下盤溫度 (oC)上盤溫度 (o C)3、利用記錄的數(shù)據(jù)，用最小二乘法(手機(jī) APP 中有計(jì)算工具)得到下銅盤

8、在T2 溫度的自然冷卻速率K 。表 4下銅盤自然冷卻溫度記錄表(T2 上下取 7 組數(shù)據(jù) )時(shí)間 t（ s）T（ mv）時(shí)間 t（s）T（mv）用最小二乘法計(jì)算冷卻速率K 及相關(guān)系數(shù)r石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第4頁共6頁4、計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由公式穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)cm KhD41D2 T1T 2D22計(jì)算 2 種材料導(dǎo)熱系數(shù)（自行設(shè)計(jì)）石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第5頁共6頁穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)六、思考題1.為什么實(shí)驗(yàn)中的加熱盤A 和散熱盤 P 均采用銅盤？2. 應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法是否可以測(cè)量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，如可以對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品有什么要求，實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)不良導(dǎo)體有什么區(qū)別。 （請(qǐng)從穩(wěn)態(tài)法

9、測(cè)定不良導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)思路去思考）？附表：銅 康銅熱電偶分度表熱電勢(shì)（ mV ）溫度 ()0123456789000.0390.0780.1170.1560.195.0.2340.2730.3120.351100.3910.430.470.510.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.830.870.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.321.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.781.8281.8651.9071.951.992502.0352.0782.1212.1642.2072.252.2942.3372.382.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.