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不良导体导热系数的测定
导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一,导热系数大、导热性能较好的材料称为良热导体;导热系数小、导热性能较差的材料称为不良热导体。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。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。
实验目的
掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。
了解物体散热速率和传热速率的关系。
实验仪器
THQDC-1型导热系数测定仪。
游标卡尺。
天平(已经提供了黄铜盘质量的参考值)。
镊子。
三、实验原理

当物体内部各处的温度不均匀时,就会有热量从温度较高处传递到温度较低处,这种现象叫做热传导现象。
早在1882年著名物理学家傅立叶(Fourier)就提出了热传导的定律:若在垂直于热传导方向上作一截面,以表示处的温度梯度,那么在时间内通过截面积所传递的热量为:
(1)
式(1)中为传热速率,负号代表热量传递方向是从高温区到低温处,与温度梯度方向相反。比例系数称为导热系数,其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时,在单位时间内通过单位面积所传递的热量,单位是()
稳态法测传热速率
测定样品导热系数的实验装置如图1所示,图中待测样品(圆盘)半径=60mm,厚度=5mm,样品上表面与加热盘(位于上方的黄铜盘)的下表面接触,温度为,加热盘由内部电热丝供热,热量由加热盘通过样品上表面传入样品,再从下表面与散热盘(位于样品下面的黄铜盘)的上表面相接,温度为,即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。样品上下表面温度可以认为是均匀分布,在
不很大的情况下可忽略样品侧面散热的影响,则式(1)改写为:
(2)
式(2)中S为样品横截面积。


当、稳定时,传热也达到稳定,即通过待测样品的传热率和黄铜盘向下侧面和下面的散热率相同。
(3)
式(3)中,、是传热稳定时的样品上下表面温度,是样品的传热速率,是黄铜盘的散热速率。
那么式(2)可表示为:
(4)
由(4)式可见是求黄铜盘散热率。为此,当测出稳态时样品上面表面的温度、之后,拿走样品,让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触,加热下黄铜盘使得温度上升到高于
若干度后再拿去上黄铜盘,让下黄铜盘自然冷却,直接向周围散热。下黄铜盘在附近的冷却速率:

黄铜盘的散热速率与其冷却速率的关系为:
(5)
式(5)中m是黄铜质量,c是黄铜比热(c= J/kg•k)。
在样品传热过程中,只考虑下表面和侧面散热。但在测冷却速率时,黄铜盘上表面也暴露在外,实际是黄铜盘的上、下表面和侧面都在散热。由于物体冷却速率与它的表面积成正比关系,修正(5)式,可得

(6)
式(6)中、分别为散热黄铜盘半径和厚度。
将式(6)代入式(4)并整理得待测样品导热系数为:
(7)
实验内容与步骤
用游标卡尺测量待测样品盘的半径和厚度,散热黄铜盘的半径和厚度,参考值为==60mm=,=5mm=,=12mm=。
用天平测量散热黄铜盘的质量m,参考值m=。
安装实验装置。
注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。按图1所示将散热黄铜盘小心