实验报告模板-稳态法测量不良导体的导热系数

1梧州学院数理系学生实验报告成绩：指导教师：专业：班别：实验时间：实验人：学号：同组实验人：实验名称：稳态法测量不良导体的导热系数实验目的：1.掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数；2.学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。实验仪器：FD－TC－B导热系数测定仪，游标卡尺实验原理：使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为12，根据傅立叶传导方程，在t时间内通过样品的热量Q满足下式：ShtQB21（1）式中为样品的导热系数，Bh为样品的厚度，S为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为Bd，则由（1)式得：2214BBdhtQ（2）实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P，散热盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B，样品B上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘C是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度1和2不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等，因此可以通过散热盘P在稳定温度2时的散热速率来求出热流量Qt。实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度1和2后，将样品B抽去，让加热盘C与2散热盘P接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的2值20℃或者20℃以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t的下降情况，求出散热盘在2时的冷却速率2t，则散热盘P在2时的散热速率为：2tmctQ（3）其中m为散热盘P的质量，c为其比热容。在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积修正：PPPPPPhRRhRRtmctQ222222（4）其中pR为散热盘P的半径，ph为其厚度。由(2)式和(4)式可得：PPPPPPBBhRRhRRtmcdh2224222212（5）所以样品的导热系数为：221142222BBPPPPdhhRhRtmc（6）实验仪器FD－TC－B型导热系数测定仪装置如图1．所示，它由电加热器、铜加热盘C、橡皮样品圆盘B、铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。实验内容(1)取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松：(2)按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一3有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的孔上下对齐(注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换)(3)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从FDHC，然后显示当时温度，当转换至b==·=时，用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。(4)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。(5)按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到80℃，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的2值20℃左右即可。（6)移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，由临近2值的温度数据中计算冷却速率2t。也可以根据记录数据做冷却曲线，用镜尺法作曲线在2点的切线，根据切线斜率计算冷却速率。(7)根据测量得到的稳态时的温度值1和2以及在温度2时的冷却速率，由公式221142222BBPPPPdhhRhRtmc计算不良导体样品的导热系数。实验数据样品：橡皮；室温：28℃；散热盘比热容(紫铜)：C=385J／(Kg·K)；散热盘质量：m=g；散热盘厚度Ph(多次测量取平均值)：表1散热盘厚度(不同位置测量)mmhP/所以散热盘P的厚度Ph=mm；散热盘半径PR(多次测量取平均值)：表2散热盘直径（不同角度测量）mmDP所以散热盘P的半径：PR=mm；橡皮样品厚度Bh(多次测量取平均值)：表3橡皮样品厚度（不同位置测量）mmhB/所以橡皮样品厚度Bh=mm；4橡皮样品直径Bd(多次测量取平均值)：表4橡皮样品直径（不同角度测量）mmdB/所以橡皮样品直径Bd=mm；稳态时(10分钟内温度基本保持不变,样品上表面的温度示值1℃，样品下表面温度示值2℃。每隔20秒记录一次散热盘冷却时的温度示值，如表5：表5散热盘每隔20秒自然冷却时温度记录θ/℃θ/℃θ/℃作冷却曲线得到：取临近2温度的测量数据求出冷却速率2t将以上数据代入公式(6)计算得到：221142222BBPPPPdhhRhRtmc查阅资料知，橡皮在20℃的条件下测定导热系数为0.13~0.23W／(m．K)。