1、石家庄铁道大学物理实验中心 第 1 页 共 6 页稳 态 法 测 量 不 良 导 体 导 热 系 数姓名 学 号 班级 桌号 同组人 教 室 基 1307 日期 2 0 年 月 日 时段 一、实验目的1. 理解导热系数的概念及意义；2. 学习用稳态平板法测定材料导热系数的实验思想；3. 了解热电偶测温原理。二、实验仪器导热系数测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表、PID 自动控温装置）保温杯及冰水混合物测试样品：橡皮、牛筋、电木，三选二。三、实验原理1. 热传导定律1）导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传播热量的过程。当温度的变化只是沿着一个方向(设 z 方向)进行时，热传导的基本
2、公式可写为：它表示在 。dT/dz 为 ； 为 ，它的大小由 决定，单位为 ，它是表征 的物理量，式中负号表示 。2）利用公式（1）测定材料导热系数的关键：在 A、B、P 盘内部建立稳定的温度梯度dT/dz 的前提下，利用 A 盘向 P 盘的热传导速率和 P 盘向空气的散热速率相等进行测量(图 1)。2. 在材料内部建立稳定的温度梯度 dT/dz将待测样品盘 B 夹在两个铜盘之间形成如图一所示的“三明治”结构，热量由加热的高温铜d=Q（1）稳 态 法 测 量 不 良 导 体 导 热 系 数石家庄铁道大学物理实验中心 第 2 页 共 6 页盘 A 通过样品盘 B 向低温铜盘 P 传递，若 B 盘
3、很薄，通过侧边向周围环境的散热可以忽略，则可视为“三明治”结构内热流沿垂直盘面方向传递。当上下铜盘温度保持不变时，此时可视为稳定导热，即在材料内部建立起了稳定的温度梯度。设 A、P 铜盘温度为 T1、T 2，样品盘厚度为 h，则温度梯度可近似表示为：T1、T 2、h、s 可测，只要测量出传热速率 K=dQ/dt，即可得到导热系数。（请思考实验采用圆形铜盘作为加热和散热盘的原因并回答第六部分中的思考题。 ）3. 传热速率 K=dQ/dt 的测定（1）根据稳态法的特点，为维持材料内部稳定的温度梯度分布，必须使整个“三明治”结构的输入热量和散出热量相等，即整个系统达到热量传递的动态平衡，于是通过样品
4、的传热速率等于低温下铜盘在温度 T2 的散热速率。（2）阅读教材，简要阐述实验中用下铜盘在温度 T2 时的降温速率代替散热速率的实验思想，并推导出导热系数的实验用公式。1d=zh（2）稳 态 法 测 量 不 良 导 体 导 热 系 数石家庄铁道大学物理实验中心 第 3 页 共 6 页四、实验步骤本实验选用铜-康铜热电偶测上下铜盘温度，所使用的数字电压表集成在了仪器上，其温度与电动势的关系见实验报告最后附表铜康铜热电偶分度表。注意：必须明确和注意电热炉设定温度、炉温、热电偶 1 和热电偶 2 所测温度之间的区别和联系。1 用游标卡尺测量样品厚度，多次测量取平均值，记录下铜板的几何尺寸、质量（刻在
5、下铜盘侧面） 、比热容等物理量；2 安装样品和上下铜盘形成“三明治“ 结构，注意将样品适度夹紧，铜盘与样品盘之间不要留有空隙。热电偶插入测温小孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插入冰水混合物中。3 手动控温法要求手动控制并保持电热炉的炉温在 60 oC 左右，利用手动“高低档位”和“断电档位”把炉温控制在 60 oC 左右；从高温的上铜盘通过材料层传给下铜盘的热量大于下铜盘散出的热量，下铜盘温度逐渐升高。上铜盘通过材料层传给下铜盘的热量等于下铜盘散出的热量，下铜盘温度不再升高，系统达到热稳态。 （观察下铜盘的温度变化，5 分钟不变，可视为达到热稳态） 。记录上下铜盘热电偶电压 V
6、T1、V T2（单位 mV） 。4 用自动控温法测样品的导热系数。设置电热炉的设定温度为 60 ，将电热炉“自动”档打开，等待系统达到稳态时测出热电偶电压 VT1、V T2值。5移去样品，直接加热下铜盘到 60oC 以上，然后移去上铜盘及材料盘，让下铜盘自然冷却。当下铜盘温度达到 60 oC 附近后，每隔 30 s 读一次下铜盘的温度示值(要求在 T2 上下各有 3组以上有效数据)。利用记录的数据，用最小二乘法 (手机 APP 中有计算工具) 得到下铜盘在T2温度的自然冷却速率 K。6查附表得到热电偶电压值对应的温度，换算为绝对温度值，分别计算两种样品的导热系数。注意：自动升温较慢时，可先用手
7、动高档加热，临近 60时再转为自动控制；自动控温显示的是电热炉内置热电偶测得的炉丝温度，与电压表换算出的上铜盘温度通常不一致（二者定标位置不同） ，实验中记录上铜盘温度作为 T1。五、数据记录与处理1、材料盘厚度测量要求 3 次测量，铜盘的半径、质量厚度等数据在盘侧面刻印，铜的比热在教材中查。相关数据用表格表达。稳 态 法 测 量 不 良 导 体 导 热 系 数石家庄铁道大学物理实验中心 第 4 页 共 6 页2、分别用手动方式、自动方式进行调整，达到热稳态，并记录稳态时的材料层上下表面的温度。表 3 温度测量数据记录如下表。样品名称 上铜盘 下铜盘热偶电压(mV) 热偶电压(mV)（手动）
8、上盘温度 (oC) 下盘温度( oC)热偶电压(mV) 热偶电压(mV)（自动） 上盘温度 (oC) 下盘温度( oC)3、利用记录的数据，用最小二乘法(手机 APP 中有计算工具)得到下铜盘在 T2温度的自然冷却速率 K。表 4 下铜盘自然冷却温度记录表( T2上下取 7 组数据)时间 t（s）T（ mv）时间 t（ s）T（ mv）用最小二乘法计算冷却速率 K 及相关系数 r稳 态 法 测 量 不 良 导 体 导 热 系 数石家庄铁道大学物理实验中心 第 5 页 共 6 页4、计算材料的导热系数。由公式 221421DTcmKh计算 2 种材料导热系数（自行设计）稳 态 法 测 量 不 良
9、 导 体 导 热 系 数石家庄铁道大学物理实验中心 第 6 页 共 6 页六、思考题1.为什么实验中的加热盘 A 和散热盘 P 均采用铜盘？2. 应用稳态法是否可以测量良导体的导热系数，如可以对实验样品有什么要求，实验方法与测不良导体有什么区别。 （请从稳态法测定不良导体的实验思路去思考）？附表： 铜康铜热电偶分度表热电势（mV）温度() 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 0 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195. 0.234 0.273 0.312 0.35110 0.391 0.43 0.47 0.51 0.549 0.589 0.629 0.669 0.70
10、9 0.74920 0.789 0.83 0.87 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.15530 1.196 1.237 1.279 1.32 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.56940 1.611 1.653 1.695 1.738 1.78 1.828 1.865 1.907 1.95 1.99250 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.25 2.294 2.337 2.38 2.42460 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.86470 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 30131 3.176 3.221 3.266 2.31280 3.357 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.63 3.676 3.721 3.76790 3.813 3.859 3.906 3.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231100 4.277 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701
