不良导体导热系数的测定实验.ppt

2．样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？
一、 开篇设问
（一） 预备问题
1．样品的导热系数大小与温度有什么关系？
（二）学生容易出错的问题
1．测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度θ20附近选值？
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（三）课后要思考的问题或扩展问题。
1．分析本实验中的主要误差来源？
2．个别仪器的温度计存在的测量误差（并且假定我们无法对温度计进行调整），这一误差会影响导热系数的测量精度，对此你有什么好的解决办法吗？请提出你的方案。
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二、背景介绍
（一）导热系数及其稳态法测量
热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。
热量传递的三种途径：热传导、热对流、以及热辐射。
导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物体称为不良热导体。
定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，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。
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导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。
稳态法是在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。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有关。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。
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（二）实验目的
1．掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。
2. 了解物体散热速率和传热速率的关系。
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（三）科学家简介
傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier，1768～1830）,法国数学家、物理学家。1768年3月21日生于法国中部欧塞尔一个裁缝家庭，1830年5月16日卒于巴黎。9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁由一主教送入地方军事学校读书。17岁回乡教数学，1794到巴黎，成为高等师范学校的首批学员，
次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长官。由于对热传导理论的贡献于1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论。
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图一 导热系数实验装置示意图
当如图一所示的系统达成热平衡时，通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同，即有
三、实验原理
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（1
（1）
式（1）中θ10、θ20是传热稳定时的样品上下表面温度， 是样品的传热速率， 是黄铜盘散热率。
根据傅立叶的热传导定律，（1）式左边可以写为：
（2）
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而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（1）式右边可以写为：
（3）
式(3)中m是散热黄铜的质量，c是黄铜比热。
这样，只要测出散热黄铜的冷却率 ，就可以联立（1）、（2）及（3）式而得出导热系数λ，但是，当散热黄铜处在稳定系统之中时，其冷却率不方便测
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量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应的冷却率我们不妨记为 ，根据散热率也即冷却率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系式成立：
于是我们可以进一步得出导热系数λ的表示式为：
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