大学物理实验报告：实验29导热系数测定.doc

实验29 测量不良导体的导热系数
一实验目的
学****动态平板法测量不良导体导热系数的方法。
掌握在科学工作室平台上利用计算机和热电偶测量温度的方法。
学****根据动态平衡的原理测定热流速率的方法。
二实验仪器
导热系数测定仪杜瓦瓶热电偶游标卡尺 500型科学工作室接口
直流电压放大器计算机及科学工作室接口
三实验原理
(一)动态平板法
动态平板法测定导热系数的原理根据是法国物理学家约瑟夫·傅立叶给出的导热方程式。如图29—1,在某一时刻,热量自温度为的高温盘通过厚度为、面积为的导热样品平板向温度为的低温盘传导,在秒内,从高温面传到低温面的热量,满足下述表达式:


(1)
图 29—1
式中为热流速率,为该物质的导热系数,亦称热导率。导热系数是表示物质
热传导性能的物理量之一,其数值相当于相距单位长度的二个平行平面,当温度相差一个单位时,在单位时间内,垂直通过单位面积所流过的热量。通常把导热系数小的物体为不良导体,例如, ,,~ ;导热系数大的为良导体,约为不良导体的倍,例如铜为。导热系数的SI单位是瓦特每米开尔文,单位符号为。
动态平板法图29—1所示,这样的一个热传导系统,在某一时刻,对于温度为、质量为m、比热为的低温盘来说,当高温物体通过待测量的样品材料以
的速率给低温物体输入热量,同时低温物体向四周散热。根据能量守恒定律有
(2)
式中为低温物体温度为时的温度变化率,为低温物体温度为时向四周散热的温度变化率。根据(1)、(2)式有
(3)
根据(3)式只要分别测量出样品的尺寸、以及低温物体的质量m和比热,并确定某一时刻的高温物体温度和低温物体温度以及温度为时低温物体的温度变化率和对应的向四周散热的温度变化率就可以确定材料的导热系数。对于直径为圆形样品,(3)式可整理为:
(4)
(二)实验装置及方法
实验装置如图29—2所示,在支架D上先放上圆形散热铜盘P、待测出样品B(圆形盘不良导体)和与电热器连成一体厚底紫铜圆盘A。在A的上方用电热器L加热,散热盘下方用电风扇吹风散热,使样品上、下表面温度分别为、并分别用安插在A、P侧面深孔中的两条热电偶E来测量。利用科学工作室数据采集系统可以实现温度特性的实时采集,并确定各个时刻低温散热盘的温度变化率和对应的向四周散热的温度变化率。实验接线如图29—3所示,
图29—2 导热系数测定仪
图29-3 应用计算机测量温度线路连接示意图
热电偶的输出经两路直流电压放大器放大后接入500型科学工作室接口,利用科学工作室软件及计算机采集加热过程中系统的温度变化特性以及切断热源后散热盘的散热曲线,如图29—4所示。
q2
q1
图29—4 科学工作室采集到的温度特性曲线
四实验内容及步骤
用游标卡尺测量样品盘的直径、厚度(重复测量8次以上);
将样品盘B放在散热盘P上面,再将圆筒发热盘A放在样品盘B上方,并将
定螺母固定在机架上,调节三个螺旋头,用塞规检查,使样品盘B的上下两个表面与发热圆筒底盘A和散热盘P紧密接触。
3、按图29-3接线。将其中一条热电偶的一端插入杜瓦瓶的一个玻管内,另一端插在发热圆筒底盘A侧面的孔中;将另外一条热电偶的一端插入杜瓦瓶的另一个玻管内,另一端插在散热盘P侧面