常州工程学院物理实验课件07导热系数的测定

实验七导热系数的测定实验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、性能可靠。【实验目的】测定金属、橡皮、空气的导热系数【实验原理】式中λ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。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θ1、θ2的平行平面，在Δt秒内，从一个平面传到另一个平面的热量ΔQ，满足下述表达式：Qt12h=（1）导热系数的SI单位的瓦特每米开尔文单位符号为：W/(m·0C)导热系数的量纲为：QhAtLMTLLTLMT22231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·0C)，它与SI单位的换算是：1cal/(S·cm·K)=418.68w/(m·K)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】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：真空保温杯一只；硬铝样品一块（附绝缘圆盘一块，供散热时覆盖用）橡皮样品一块；热电偶（铜-康铜）二根数字电压表一台塞尺(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。3.000mvHABCGE20mv200mv2v20v200vdf调零电源FPZ导热系数数字电压表DFP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【实验仪器】【实验内容】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。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。【实验内容】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，ΔQ/Δt为：QtRh212（2）式中h为样品厚度，R为圆盘样品的半径，λ为样品热导率、θ1、θ2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，θ1、θ2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θ2时的散热速率求出热流量ΔQ/Δt，方法如下，当读得稳态时的θ1、θ2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θ2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θ2的【实验内容】tQt|2的温度数据，求出铜盘P在θ2的冷却速率，则mc就是散热在θ2时的散热速率，代入式（2）得：t|2mcthR|21221（3）(3)式中,m为铜盘的质量，C为铜的比热容。【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θ1＝4.00mV即可将开关拨至110V慢速加热档待θ1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θ1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θ1和θ2的数值，待θ2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θ1和θ2值。2、测金属的导热系数时θ1,θ2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θ3值。因此测量P盘的冷却速率应为:t|3mcthR|31221测θ3值时可在θ1、θ2达到稳定时，将上面测θ1或θ2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。【注意事项】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