常州工程学院物理实验教案07导热系数的测定实验

实验七：导热系数的测定实验【引言】本实验是用稳态法测不良导体、金属、空气等多种材料的导热系数。由于采用电热管加热，热电偶测温，设计先进，使用方便，结构安全、可靠。【实验目的】测定金属、橡皮、空气的导热系数。【实验原理】测定导热系数的原理是法国数学、物理学家约瑟夫.傅立叶给出的导热方程式。该方程式指出，在物理内部，垂直于导热方向上，二个相距为h，面积为A，温度分别为q 1 、q 2 的平行平面，在D t秒内，从一个平面传到另一个平面的热量△Q，满足下述表达式：DD Q t ＝lqq××-A 1 2 h (1) 式中l定义为该物质的导热系数，亦称热导率。由此可知，导热系数是——表示物质热传导性能的物理量，其数值等于二相距单位长度的平行平面上，当温度相差一个单位时，在单位时间内，垂直通过单位面积所流过的热量。导热系数的SI单位的瓦特每米开尔文单位符号为：W m C /( )×o导热系数的量纲为：[][][][][][]lqqq==×××=--- Q h A t L MT L L T LMTD 2 2 2 3 1 导热系数过去常用的非SI制单位是国际蒸汽表卡每秒厘米开（尔文）：cal/ （S×× cm C o )，它与SI单位的换算是：1cal/(s××=× cm K w m K ) . /( ) 41868 材料的结构变化与杂质多少对导热系数都有明显的影响。同时，导热系数一般随温度而变化，所以实验时对材料成份，温度等都要一并记录。【实验仪器及组成】1 1、热源：电热管、加热铜板。 2、样品架：样品支架、样品板。 3、测温部分：铜——康铜热电偶、数字式毫伏表。仪器附件（必备附件）有： 1、真空保温杯一只； 2、硬铝样品一块（附绝缘圆盘一块，供散热时覆盖用）； 3、橡皮样品一块； 4、热电偶（铜­康铜）二根 5、数字电压表一台 6、塞尺(测片) 一把本实验装置如图1所示，固定于底上的三个测微螺旋头支撑着一铜散热盘P，在散热盘P上，安放一待测的圆盘样品B，样品B上再安放一圆筒发热体，圆筒发热体由电热板提供热源，实验时一方面发热体底盘A直接将热量通过样品上平面传入样品，另一方面散热盘P籍电扇有效稳定地散热，使传入样品的热量不断往样品的下平面散出，当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时发热盘A 与散热盘P的温度为一定的数值。当待测样品为空气层时，可利用测片调节三螺旋头使散热盘与热盘相距一定的距离 h ，此即待测定空气层的厚度。2 图1：稳态法测定导热系数实验装置图 A­带电热板的发热盘 B­样品 C­螺旋头 D­样品支架 E­风扇 F­热电偶 G­真空保温杯 H­ 数字电压表 P­散热盘【实验步骤】（1）取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定：调节底部的三个微调螺母，使样品与加热盘、散热盘接触良好；（2）将电热偶的两插头插在表盘的测2上，把冷端放在装有冰水混合物的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端插在散热金的小插孔上：将另一热电偶插在表盘的测1内，冷端也放入杜瓦瓶内的另一细管中；热端插入加热盘上的小插孔中；（3）插好加热板的电源插头；再将驼线的一端与数字电压表相连，另一端插在表盘的中间位置；（4）最后，分别接好导热系数测定仪与数字电压表的电源。（5）调节数字电压表的调零旋钮，再将加热开关拨至220V档，开始加热；（6）待稳定后，可以将切换开关分别拨至测1和测2端，记录此刻样品上、下表面的温度；（每隔3分钟读样品上下表面的温度，若在10分钟内样品上下表面的温度示数都不变。可以认为己经达到稳定状态了） A 3.000mv H A B C G E D F P3 （7）移去样品，使加热盘与散热盘较好的接触，再将加热开关拨至 220V档。加热散热盘。（8）移开加热板，在散热盘上放置胶木板，使散热盘自然冷却；稳定状态时，通过样品上表面的热流量与由散热盘向周围环境散热的速率相等，当散热盘冷却至稳态时的温度。记录此时的散热速率以求出热流量。根据上述装置，由傅立叶导热方程式可知，通过待测样品B盘的热流量，DD Q t / 为：DD Q t R h=×××-lpqq 2 1 2 (2) 式中h为样品厚度，R为圆盘样品的半径，l为样品热导率q 1 、q 2 分别为稳态时样品上下平面的温度。实验时，当传热达到稳态时，q 1 、q 2 的值将稳定不变，这时可以认为发热盘A通过圆盘样品上平面传入的热量与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。因此可通过散热盘P在稳定温度q 2 时的散热速率求出热流量DD Q t / ，方法如下，当读得稳态时的q 1 、q 2 后，将样品B盘抽去，让发热盘A的底面与散热盘P直接接触，使盘P的温度上升到比q 2 高出1mV左右时，再将发热盘A移开，放上圆盘样品（或绝缘圆盘），让散热盘P冷却电扇仍处于工作状态，每隔30秒钟读一下散热盘的温度示值，选取邻近q 2 的温度数据，求出铜盘P在q 2 的冷却速率DDqqq t |= 2 ，则mcDDDDqqq t Q t |== 2 就是散热在q 2 时的散热速率，代入式（2）得：lqqqpqq=´-´= mc t h RDD | 2 1 2 2 1 (3) (3)式中, m 为铜盘的质量，C为铜的比热容。4 【实验注意事项】 1、在做稳态法时，要使温度稳定约要1个小时左右，为缩短时间，可先将热板电源电压打在220V快速加热档，几分钟后q 1 ＝ 4.00mV即可将开关拨至110V慢速加热档待q 1 降至3.50mV左右时通过手动调节电热板电压220V档、110V档及0V档，使q 1 读数在± 0.03mV范围内，同时每隔2分钟记下样品上下圆盘A和P的温度q 1 和q 2 的数值，待q 2 的数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记下此时的q 1 和q 2 值。 2、测金属的导热系数时q 1 ,q 2 值为稳态时金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P的温度为q 3 值。因此测量P盘的冷却速率应为:DDJqq t |= 3 ,\=´-´=lqqqpqq mc t h RDD | 3 1 2 2 1 测q 3 值时可在q 1 、q 2 达到稳定时，将上面测q 1 或q 2 的热电偶移下来进行测量。 3、圆筒发热体A盘侧面和散热盘P的侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与真空保温杯在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，保证接触良好。热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。 4、样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标尺多次测量取平均值。散热盘的质量m，约1kg，可用药物天平称量。 5、本实验选用铜——康铜热电偶，温差100 o C时，温差电动势约4.2mV.故应配用量程0—10mV的数字电压表,并能测到0.01mV的电压(也可用灵敏电流计串联一电阻箱来替代)。*注意：接地线必须接地