良导体导热系数的测定

本科学生毕业论文（设计）题目良导体导热系数的测定学院物理与电子信息学院专业2012物理学学生姓名王雪佳学号120801035指导教师金伟职称副教授论文字数5470完成日期2016年4月1日论文题目良导体导热系数的测定学生姓名、学院：王雪佳、物理与电子信息学院中文摘要随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。介绍了一种测量良导体导热系数的方法，该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方便。关键词：稳态法；导热系数；散热速率；良导体英文题目Determinationofthethermalconductivityofgoodconductor学生姓名、学院：WangXuejiaTheCollegeofPhysicalandElectronicInformation英文摘要AsthecoefficientofthermalconductivityUSESmoreandmorewidelyinengineeringtechnology,thecoefficientofthermalconductivityofobjectsusuallyneedtobedeterminedthroughexperimentaltests,thisexperimentistousethesteady-stateplatemethodfordeterminingthecoefficientofthermalconductivityoftheobject.Introducesakindofgoodconductorcoefficientofthermalconductivitymeasurement,themethodovercomethedeficiencyofthethermocoupletemperaturemeasurementmethod,usingdigitaltemperaturesensortemperaturetestmeasuredtemperaturecontroltechnology,reduceexperimenterror,andtheexperimentaloperationbecomesmoreintuitiveandconvenient.英文关键词Steady-statemethod;ThermalConductivity;Coolingrate;Goodconductor安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见指导教师评语主要内容包括：学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。成绩：签名：年月日安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见专业负责人︵系主任︶评定意见成绩：（优、良、中、及格、不及格）专业负责人（系主任）签名：年月日学院意见成绩：（优、良、中、及格、不及格）院长签章：年月日1目录引言----------------------------------------------------31实验装置和实验原理-------------------------------------31.1实验装置----------------------------------------------31.2实验原理----------------------------------------------42实验内容----------------------------------------------53.数据记录及处理----------------------------------------64.测量误差的主要来源及测量结果的影响要素-----------------75注意事项----------------------------------------------136结论----------------------------------------------参考文献-------------------------------------------------132良导体导热系数的测定王雪佳，物理与电子信息学院摘要：随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。介绍了一种测量良导体导热系数的方法，该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方便。关键词：稳态法；导热系数；散热速率；良导体DeterminationofthethermalconductivityofgoodconductorWangXuejia,SchoolofPhysicsandElectronicInformationAbstract：AsthecoefficientofthermalconductivityUSESmoreandmorewidelyinengineeringtechnology,thecoefficientofthermalconductivityofobjectsusuallyneedtobedeterminedthroughexperimentaltests,thisexperimentistousethesteady-stateplatemethodfordeterminingthecoefficientofthermalconductivityoftheobject.Introducesakindofgoodconductorcoefficientofthermalconductivitymeasurement,themethodovercomethedeficiencyofthethermocoupletemperaturemeasurementmethod,usingdigitaltemperaturesensortemperaturetestmeasuredtemperaturecontroltechnology,reduceexperimenterror,andtheexperimentaloperationbecomesmoreintuitiveandconvenient.Keywords:Steady-statemethod;ThermalConductivity;Coolingrate;Goodconductor3引言导热系数是材料的热物性参数之一，也是固体最重要的热物性参数。对于材料的使用在理论研究和工程设计、应用方面具有重要意义。而导热系数都需要用实验的方法精确测定。一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。因此，某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。测量导热系数的方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法。测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法是使加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。而非稳态法在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数。本实验采用TC-B3型稳态法测量物体的导热系数，该方法设计思路清晰、方便，具有典型性和实用性。1实验装置和实验原理1.1实验装置本实验装置包含热端温控传感器、温度传感器、保温材料、加热器、散热器、底座。加热器、待测材料和散热器通过紧固件与底座连成一体。实验仪含数字测温表、温度控制器和相应的开关和选择键。待测样品导热系数的实验装置如图所示。待测样品上表面与加热盘(上面的黄铜盘)的下表面接触，加热盘由内部电热丝供热，用智能温度调节器来控制加热(给加热温度设定一上限)，加热盘将热量通过样品上表面传入样品，样品下表面与散热盘(下面的黄铜盘)的上表面相接，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。加热盘和散热盘的温度分别由两个测温传感器测出。[1]△41.2实验原理当物体内部有温度梯度存在时，其热量将从高温处传递到低温处。在dt时内通过dS面积的热量dQ正比于物体内的温度梯度，即有式中，dQ/dt为传热速率，dT/dx-是与面积dS相垂直的力一向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区域传向低温区域从是导热系数，表示物体导热能力的大小。根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1T2），若平面面积均为S，在△t通过面积S的热量△Q述表达式：hTTStQ)(21式中,tQ为热流量;即为该物质的导热系数，在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(KmW。[2]首先在支架上先放上圆铜盘P，在铜板P的上面放上待测样品B，再把带发热器的圆铜盘A放在B上，加热盘通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，由于A、P都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别插入A、P盘边缘小孔的铂温度传感器E来测量。通过调换温度传感器插入位置，即可改变铂电阻温度传感器的测量对象。由式上式可以知道，单位时间内通过待测样品B任一截面的热流量为221)(BBRhTTtQ式中，RB为样品的半径，hB为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值将保持不变，也就是说通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P在稳定温度T2的散热速率来求出热流量tQ。实验中，在读得稳定状态的T1和T2后，即可将样品B移去，而使发热盘A与铜盘P直接接触加热。当铜盘P的温度上升到高于稳定时的T2值若干摄氏度后，在将A移开，让P自然冷却。观察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在T3的冷却速率3TTtT,则3TTtTmc就是铜盘P在温度为5T3时的散热速率。[3]要注意，这样求出的3TTtT是铜盘P在表面完全暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为PPBhRR222。然而，在观察测量样品的稳态传热时，P盘的上表面是被样品覆盖着的，并未向外界散热，所以当样品盘B达到稳定状态时，散热面积仅为：PPPhRR22。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，在稳态是铜盘散热速率的表达式应作如下修正：)22()2(222PPPpPPTThRRhRRtTmctQ将上式代入，得2211))(22()2(2BPPBpPTTRTThRhhRtTmc[4]2.实验内容1.测量P盘和待测样品的直径、厚度，测P盘的质量。要求：（1）用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。（2）用游标卡尺测量P盘的直径和厚度，测5次，按平均值计算P盘的质量。也可以用电子秤称出P盘的质量。2.良导体导热系数的测量（1）连接导线：实验时，在仪器机箱的后部根据指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三根专用导线与测试支架上的三个插座连接，两个铂电阻测温传感器导线接到测试支架的切换开关上的插座中，通过切换开关后与仪器机箱前面板上左侧的“测温传感器”插座相联。（2）安装待测样品：在支架上先放上散热圆铜盘P，再在P的上面放上待测样品，然后再把带发热器的铜盘A放在盘P上，再调节三个螺栓，将圆柱体金属铝棒置于发热圆盘与散热圆盘之间，使铝圆柱样品的上下两个表面与发热盘A和散热铜盘P密切接触。将两个铂电阻测温传感器分别插入发热铜盘A（上盘）和散热铜盘P（下盘）上的小孔中。（3）设置加温上限温度：接通电源，在“温度控制”仪表上