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热导率测量_图

文章出处:万家博官网 人气:发表时间:2021-01-11 13:55

  大学物理实验 实验三 热导率的测量 1 简介 实验原理 实验内容 基本要求 2 简 介 热导率 :描述物质热传导性质的一个物理量。 在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的 方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态 法测量不良导体热导率。 通过实验掌握用稳态法测量不良导体热导率的方法,体 会使用参量转换法的设计思想,掌握用热点偶测量温度的 方法。 3 实验原理 一 热传导遵循的基本规律——傅立叶定律: ?Q ? dT ? ? ?κ ? ? ?S ?t ? dx ? x0 传热速率ΔQ/Δt 与该平面所在 处的温度梯度成正比,与平面面 积ΔS 成正比。 热传导 注:该公式稳态法测量样品热导率的原理公式 二 稳态法测不良导体的热导率: 原理公式: ?Q ? dT ? ? ?κ ? ? ?S ?t ? dx ? x0 关键是使样品内部形成稳定的传热状态。 稳态:经一段时间后,如果在样品的传热方向各截面 的传热速率ΔQ/Δt相同,那么样品内部将形成一个 稳定的温度分布状态。稳态时样品上下温度将各自停留在 某个温度。传热速率ΔQ/Δt 和温度梯度(dT/dt)是一个确 定的值。 TA ? TP ?Q ? ?κ ?S ?t hB 5 找稳态? 接通电源,打开主机底部小风扇, 形成稳定的散热环境,将加热盘供电电 压调到220V,加热10分钟,将加热盘供 电电压调到110V,然后5分钟记录一组样 品上下表面温度,若在10分钟内,样品 上下表面温度不变,则样品达到稳态, 记录(TA,TP )。 6 怎样测温 度? —热电偶测温原理: 热电偶是利用温差电效应 制成的测温元件,它是由两种 不同的金属焊接而成的回路。 当两接点a、b的温度不同时, 在闭合回路中会产生电动势, 该电动势称为温差电动势 ε 。 热电偶测温原理图 ε ? α ?T ? T0 ? 实验采用铜-康铜热电偶, α=4.2mv/100 ℃ 7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 验三 热导率和对流传热系数的测量 【预习思考题】 1.热导率的物理意义是什么?对流传热系数是什么? 热导率的物理意义为:当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时,在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流 传热系数是在对流传热条件下,单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。 2.如果用本实验装置测定良导体的热导率,样品的形状应有何改变?为什么? 若要测量良导体样品,则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好,样品只有做的 比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差,而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。 3.用式(5.3-6)或式(5.3-14)测热导率要求哪些实验条件,在实验中如何保证? 需要热电偶的冷端保持温度恒定,实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃;需要尽可能减小样品侧面散热的影响,因 此将样品做成薄圆盘状;需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量,实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、 下表面分别密切接触;需要易于散热,实验中采用风扇对散热盘吹风来保证;等等。 【分析讨论题】 1.为什么能将数字电压表的示值当作温度值直接代入式(5.3-6)或式(5.3-14)中计算热导率κ? 因为热电偶冷端温度为0℃,所以通过热电偶测得的电压。所以有,而这就是式(5.3-6)中所包含的全部和温度相关的项。由此可 见可以将数字电压表的电压示值当作温度值直接代入式(5.3-6)中进行计算。 2.对环境温度的测量为什么要在实验的最后一步而不是在较靠前的步骤进行? 理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的,但是从实际情况分析还是后测量比较准确,这是从减小实验误差的角度考虑的。 实验进行前,由于还没有进行实验,实验过程中的散热也没有影响,因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。 而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的,此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化,因此最后 测量环境温度,测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。因此,对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。 8 TA ? TP ?Q ? ?κ ?S ?t hB 稳态时样品内部形成稳定的温度分布,加热盘给样品 加热多少热量,就有多少热量通过散热盘散出。 稳态时样品的传热速率 = 稳态时散热盘散热速率 注意:稳态时散热盘温度为TP ,且只有下表面和侧面 参与散热。 9 测量散热盘的散热速率 达到稳态后,将样品取下, 让加热盘 A 与散热盘P 直接接 触,给散热盘加热。当散热盘 P的温度比T P高出若干度后, 移走加热盘A。散热盘P向周围 散热,在散热盘散热的过程中, 每 20 秒记录一次散热盘温度, 测得散热盘温度随时间变化的 一组数据,利用该数据组绘制 冷 却 曲 线mV 散热盘P的冷却曲线; ? ? ?T ? ? ? ? mc ? ? ? ?t ?TP ? ?t ?TP 10 所有面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为: ? ?Q ? ? ?T ? ? mc ? ? ? ? ? ?t ?TP ? ?t ?TP 部分面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为: ? ?Q ? ? ?T ? S ? S侧 ? ? ? mc ? ? ? ?t ?TP ? ?t ?TP 2S ? S侧 不良导体 B 的热导率为: 1 ? ΔT ? D ? 4hp hB κ ? 2mc ? ? 2 Δ t D ? 2 h T ? T π D ? ?TP p A P 11 实验内容 1.调整仪器装置; 2.控制实验条件以使样品尽快达到稳态, 记录此时加热盘和散热盘温度; 3.测量散热盘的散热过程,记录

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