固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

1、浙江中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)醫(yī)學(xué)信息工程班級(jí)一班報(bào)告人學(xué)號(hào)同組人學(xué)號(hào)同組人學(xué)號(hào)同組人學(xué)號(hào)理論課任課教師實(shí)驗(yàn)課指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)日期415報(bào)告日期415實(shí)驗(yàn)成績(jī)批改日期浙江中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院物理教研室實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過(guò)程，鞏固和深化熱傳導(dǎo)的基本理論；2.學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；3.學(xué)會(huì)用作圖法求冷卻速率；4.了解實(shí)驗(yàn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)儀器YBF3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，冰點(diǎn)補(bǔ)償裝置，杜瓦瓶，測(cè)試樣品（硬鋁、硅橡膠、膠木板、空氣等）、游標(biāo)卡尺等。實(shí)驗(yàn)原理早在1882年，法國(guó)科學(xué)家丁傅里葉就提出了熱傳導(dǎo)定律，目前各

2、種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)上。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著z方向傳導(dǎo)，那么在z軸上任一位置zo處取一個(gè)垂直截面積ds,以匹表示在z處的溫度梯度，以四表示該處的傳熱速率（單位時(shí)dzdt間內(nèi)通過(guò)截面積ds的熱量），那么熱傳導(dǎo)定律可表示成：dTdQ=-從一）z0dsdt（1）dz式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反），比例數(shù)入即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見(jiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)截面單位面積的熱量。利用（1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)入需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度亞并確定其數(shù)值;dz另

3、一個(gè)是如何測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率施。dt1、"度梯度架為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體一一銅板之間，如圖1,使兩塊銅板分別保持在包定溫度T1和T2,就可能在垂直丁樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小丁樣品直徑（h<<加熱傳熱散熱上銅板樣品小銅板向上有溫度梯度。由丁銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同D）,由丁樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直丁樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品厚度h

4、和兩塊銅板的溫度Ti、T2,就可以確定樣品圖1傳熱示意圖的溫度梯度"L。當(dāng)然這需要銅板與樣品表面緊密接觸無(wú)縫隙，否則中間的空氣層h將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。2、關(guān)"熱速率巖單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面積的熱量竺是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)dt為轉(zhuǎn)化為較容易測(cè)量的量。為了維持一個(gè)包定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過(guò)樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周?chē)h(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)，此時(shí)低溫側(cè)銅板的

5、散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們知道，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）亞有關(guān)，其表達(dá)式為dtdQdtT2dT-mc一dt(2)tlt2t（S）曲圖2散熱盤(pán)的冷卻曲線圖在C為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。由式中的m為銅板的質(zhì)量，丁質(zhì)量容易直接測(cè)量，C為常量，這樣對(duì)銅的散熱速率的測(cè)量乂轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板卻速率的測(cè)量。銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接下銅板加熱，使其溫度高丁穩(wěn)態(tài)溫度丁2（大高出10C左右），再讓

6、其在環(huán)境中自然冷直到溫度低丁T2,測(cè)出溫度在大丁T2到小T2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出Tt線（見(jiàn)圖2）,曲線在T2處的斜率就是銅板穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。其散熱應(yīng)該注意的是，這樣得出的亞是銅板全部表面暴露丁空氣中的冷卻速率,dt面積為2兀B2+2兀fehp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而，設(shè)樣品截面半徑為R,在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為兀B2）是被樣品全部（R=Rp）或部分（R<Rp）覆蓋的，由丁物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為:若R=Rp，則dQ_dT兀Rp+2兀RphpdT""C-dT,

7、云Rp十2rRphppp(3)22dQ_dT子一尾-二R2二Rphp"dT""dT2拓+2Rphp將（3）式或（3）式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，考慮到ds=兀六若R<RP,則可以得到導(dǎo)熱系數(shù):2hpRp1hdT入=_mc2i2hp2Rp二R2Ti-T2dtT2(4)2_2t.2Rp-R2Rphp1hdT入mc222Rp2RphP-二RT1-T2dt式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、c為銅的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量。3、用溫差電偶將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量本實(shí)驗(yàn)選用銅一康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差為100C

8、時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約為4.0mV。由丁熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為0C,當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)&（mV）與待測(cè)溫度T（C）的比值是一個(gè)常數(shù)。因此，在用（4）或（4）式計(jì)算時(shí)，也可以直接用電動(dòng)勢(shì)£代表溫度To實(shí)驗(yàn)步驟1、手動(dòng)測(cè)量（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品、下銅盤(pán)的幾何尺寸，多次測(cè)量取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/(K-kg);(2)儀器的連接（3）設(shè)定加熱溫度： .按一下溫控器面板上設(shè)定鍵（S）,此時(shí)設(shè)定值（SV）顯示屏一位數(shù)碼管開(kāi)始閃爍。 .根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵（S）左右移動(dòng)到所需設(shè)定的位置，然后通辿口數(shù)鍵（）、減數(shù)鍵（）來(lái)設(shè)定好所需

9、的加熱溫度。 .設(shè)定好加熱溫度后，等待8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。（4）先放置好待測(cè)樣品及下銅盤(pán)（散熱盤(pán)），調(diào)節(jié)下圓盤(pán)托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上、下銅盤(pán)接觸良好。安置圓筒、圓盤(pán)時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶在同一側(cè)。熱電偶插入銅盤(pán)上的小孔時(shí)，要抹些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測(cè)溫端與銅盤(pán)接觸良好，熱電偶冷端插在杜瓦瓶中的冰水混合物中。手動(dòng)控溫測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，控制方式開(kāi)關(guān)打到“手動(dòng)”。將手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)打到“高”檔，根據(jù)目標(biāo)溫度的高低，加熱一定時(shí)間后再打至“低”檔。根據(jù)溫度的變化情況要手動(dòng)去控制“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔5分鐘讀一下溫度示值（具體時(shí)間因被測(cè)物和溫度而異），如在一段

10、時(shí)間內(nèi)樣品上、下表面溫度Ti、T2示值都不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。自動(dòng)PID控溫測(cè)量時(shí)，控制方式開(kāi)關(guān)打到“自動(dòng)”，手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)打到中間一檔，PID控溫表將會(huì)使發(fā)熱盤(pán)的溫度自動(dòng)達(dá)到設(shè)定值。每隔5分鐘讀一下溫度示值，如在一段時(shí)間內(nèi)樣品上、下表面溫度Ti、T2示值都不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（5）記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)Ti、T2值后，移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅盤(pán)加熱，當(dāng)下銅盤(pán)溫度比T2（對(duì)金屆樣品應(yīng)為T(mén)3）高出10C左右時(shí)，移去圓筒，讓下銅盤(pán)所有表面均暴露丁空氣中，使下銅盤(pán)自然冷卻，每隔30秒讀一為到T2（或T3）以下一定值。作銅盤(pán)的T-1量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率。（6）根據(jù)（4）或（4）式計(jì)算樣品的導(dǎo)3（7）本

11、實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶測(cè)溫度,故應(yīng)配用量程020mV,并能讀到0.01m零放大器，故無(wú)須調(diào)零）。由丁熱電偶冷端盜溫度變化范圍不大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)（mV由此，在用（4）或（4）計(jì)算時(shí)，可以直接8實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果表1:銅盤(pán)質(zhì)量m=967.1g12Dp(cm)12.91012.912Hp(cm)0.9100.898表2:橡膠盤(pán)12Dp(cm)12.69412.662Hp(cm)0.7380.730表3:穩(wěn)態(tài)時(shí)T1、T2的值T1=812V11(mV)4.5674.561V12(mV)3.2453.241表4:仁下銅盤(pán)的溫度示值并記錄,直到溫度卜-降冷卻速率曲線，選取鄰近T2（或T3）的測(cè)即系數(shù)%溫差100C時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約4.0mV,/的數(shù)子電壓表（數(shù)子電壓表前端米用自穩(wěn)0C,對(duì)一定材料的熱電偶而言，當(dāng)）與待測(cè)溫度（0C）的比值是一個(gè)常數(shù)。人電動(dòng)勢(shì)值代表溫度值。34512.92412.87412.9140.9020.9160.87834512.67812.70012.6980.7140.7300.74650.2CT2=57.6C3454.5544.5484.5433.2353.2303.226時(shí)間（秒）306090120150180210240T2(mV)3.30