文档介绍：《不良导体导热系数的测定》实验课件文字稿
一、实验目的
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二、实验仪器和用具
导热系数测定仪(FD—TC—II)、橡皮圆板(待测样品)、温差电偶(2对)、保温杯、数字式电压表(FPZ—II)、连接线、电子秒表、游标卡尺、电子天平、冰块。
三、实验原理
1、傅里叶热传导方程
图(一)
导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量。测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。
如图(一)所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为,高为。经加热后,上端温度为,下端温度为,,热量从上端流向下端。若加热一段时间后,内部各个截面处的温度达到恒定,此时虽然各个截面的温度不等,但相同的时间内流过各截面的热量必然相等(设侧面无热量散失),这时热传递达到动态平衡,整个导体呈热稳定状态。法国数学家,物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程
(1)
图二
是时间内流过导体截面的热量,叫传热速率。比例系数就是材料的导热系数(热导率),单位是。在此式中,、和、容易测得,关键是如何测得传热速率。
2、用稳态法间接测量传热速率
如图二所示,将待测样品夹在加热盘与散热盘之间,且设热传导已达到稳态。由(1)式可知,加热盘的传热速率为
(2)
为样品的直径,为样品的厚度。
散热盘的散热速率为
(3)
为散热盘材料的比热,为散热盘的质量,表示散热盘在温度是时的冷却速率。
(2)、(3)两式右边相等:
,
(4)
(4)式表明,无需直接测量传热速率,但必须测量散热盘在稳态温度时的冷却速率,测量冷却速率的方法是,在读取稳态温度、后。将样品盘抽走,用加热盘与散热盘直接接触,给散热盘加热,使散热盘的温度升高到高于的某个适当值;然后再移开加热盘,让散热盘在空气中作自然冷却,每隔一定的时间测一次温度值,即可求出在附近的冷却速率。但必须注意的是,散热盘在稳态时的冷却上表面是被样品覆盖着的,只有下表面和侧面散热,现在自然冷却所有的表面都是暴露的。考虑到冷却速率还与散热面积成正比,根据本实验使用的散热盘的尺寸,(4)式必须修正为
铜
康铜
图三
铜
康铜
+
-
(5)
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3、用温差电偶将温度测量转化为电压测量
如图三所示,把两种不同的金属丝彼此熔接,组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度和下,则会产生温差电动势,回路中有电流。如果将回路断开(不在接点处),虽无电流,但在断开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温差电动势与两接点间的温度差成正比,
,
为冷端温度,为热端温度,叫温差电系数。
在本实验中,使用两对相同的铜—康铜热电偶,相同,它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻璃管中,也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时,可得样品上下表面的温度分别为:,,所以
或,
这样,式(5)可以写为(6)
(6)式就是本实验所依据的公式。和分别为样品的直径和厚度,和分别为散热铜盘的比热和质量,和分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势(由数字电压表读出),为散热盘在时的冷却速率。
四、实验内容和步骤
1、测量样品盘的直径、厚度、和散热盘的质量。
2、组装仪器
线
测1
测2
测1
测2
表
220V
110V
导热系数测定仪
测1
测2
冰水混合物
A
B
C
数字电压表
调零
温差电偶
图四
①、如图四所示,将待测的橡皮样品放在加热盘和散热盘之间,固定大立柱上的螺丝,调节支撑散热盘的三个微调螺丝,使加热盘、样品、散热盘三者接触良好并正对。
②、将两对热电偶的冷端分别插入装有冰水混合物的保温杯内的两个细玻璃管中(插到底),两个热端分别插入加热盘和散热盘侧面的小孔内(插到底),再将两对电热偶输出端的红、黑插头分别插到测定仪底座上“测1”和“测2”两个相应的插孔内。
③、将线的红、黑插头插入位于“测1”与“测2”之间的两个插孔内,另一端连入数字电压表。
④、将测定仪的切换开关置于中间位置,加热开关关闭,插上测定仪及数字电压表的电源插头。
3、将系统加热至稳态
①、打开数字电压表的开关,调节调零旋钮,使电压表示数为“”。
②、将测定仪的加热开关拨至220V档,给加热盘加热。切换开关拨至“测1”端,电压表上显示的值。加热1—2分钟后打开风扇。风扇一经打开后就不要关闭,直至实验结束。约几