低温技术试验

第3章 低温技术实验

低温实验中使用低温液体的注意事项

1、所有盛低温液体的容器都不能完全封死。必须流有供蒸汽逸出的通道，否则由于不

可避免的外界漏热使低温液体逐渐气化，容器中的压强逐渐升高，最后会导致装置损坏甚至

爆炸。实验结束时尤其不可疏忽大意，一定要把可能存有低温液体的密封部件的封口打开。

2、盛有低温液体的杜瓦容器真空夹层的封口必须保护好，切不可突然打开或充入过量

的气体，否则由于绝热破坏，容器内液体迅速蒸发，有可能造成事故。

3、使用玻璃杜瓦瓶时，应小心，要避免骤冷骤热。否则玻璃杜瓦瓶可能破裂。

4、当心不要让低温液体触及人体，否则会造成冻伤。

5、氦气必须回收，使用液氦时必须按照操作规程进行。

实验7 低温固体热导率测量

该实验是使操作者对低温下的热测量有初步的了解，并对纯金属热导率随温度的变化有一些感性的认识。

【预习要求】

了解金属传热的物理过程，热导率与温度的关系。实验表明；金属热导率随温度的变化 在纯金属的传热中晶格热导部分占的比例很小，热量几乎全部都是由自由电子传导的。热阻和电阻的来源相同，一是晶格的热振动，及声子的散射；二是杂质和缺陷的散射。因此，和电阻类似，热阻也可近似表达成

W W W r i =+

(3-7-1) w i 和 w R 分别为声子和杂质因起的热阻 。电阻Ｒ和热阻之间的关系由魏弗兰茨（Wiedmann-franz ）定律给出: L WT R =

（3-7-2） 式中L 称为洛伦兹（Lorentz ）常数，数值为2·45×10-8W ·Ω·K -2。公式中分母出现T 的原因是，自由电子

运载的电荷是常数，但运载的热能却正比于温度T 并随温度的一次方变化。这个定律在低温区（杂质散射为主）和高温区（电子散射时能量变化比kT 小得多时）是正确的，在中温区不够满意。

利用（3-7-2）式，我们可以从()T R 的行为推断出()T W 的变化。对杂质散射，R r 是常数，W r 应正比于T -1，在高温区R i ∝T ，W i 应为常数；在中温区，R i 一般按T 5变化，按式（3-7-2），w i 应正比于T 4，实际上W i 是正比于T 2

，表现和式（3-7-2）的偏离。图3-7-1是热阻W 随温度的变化；图3-7-2是相应的热导λ=1∕W 随问度T 的变化。

图3-7-1 图3-7-2

在本实验中我们测量纯铜的低温热导。由于用液氮（77K ）做冷源,温度不够低,不能得到图（3—7--a-2）中的整条曲

线。但可以观察到温度升高时,在热导峰右侧热导值的下降和随后趋近于常数的行为。

【实验要求】

掌握用稳态法测量杆状样品导热的热量。

【实验目的】

使同学们对低温绝热恒温的设计有初步的了解，并对在低温下的纯金属测量它的热导率。

【实验原理】

1、·我们采用稳态杆状样品法进行热导的测量，这是低温热导测量中得最普遍的一种方法。

如果一在根处于绝热环境中的截面积为A （㎝）的长杆上，建立起一稳定的热流Q （w ），杆上就会有温差为

ΔT=T 2-T 1，如图3-7-3所示。

材料的热导性能越好，温差越小。导热性能好坏用热导率λ来描数，在上述情况下有

dT dL

A Q −=λ （3-7-3）

因为材料的热导率是温度的函数，上式中ΔT 应该是一个小量， Q 否则测出的是平均热导率。λ的常用单位 是K cm W ⋅/。

2·、在本实验中，我们在样品的两个小孔中分别插如热电偶，作为测量

T 1和T 2的温度计与样品的接点图3-7-3。另外，样品加工比较均匀， 图3-7-3

可以较精确地测定L 和A 值。

我们选用铜—康铜热电偶来测量温差ΔT 。在液氮和室温附近，铜康铜热电偶的灵敏度分别约为16µV /K 和

40µV /K ，用2000MUL TIMETERko 可分辨到±0·1µV ，如ΔT 取1K ，测温误差可小到约1%。但是热偶线往往要

通过温度梯度很大的区域，由于成分和应力的不均匀，会出现一些杂散的附加电势，室温下的测量线路中也会由于

材料和温度的差别而出现附加电势，这些乱真电势有时可大到10μV 数量级，对温度的准确测量影响甚大，消除这

种电势的影响是温度测量中的关键。通过样品的热流是由样品端部的一个加热线圈提供的。图3-7-3中H 1。测量加

热电流I 和加热器上的电压值V ，按Q=IV 既可算出加热功率。I 和V 通常分别为几拾毫安和几伏特，很容易测准，

关键是保证加热器提供的Q 全部通过样品而没有通过别的途径漏掉，否则会因起很大的误差。因此，在设计测量用

的低温恒温器时，要考虑以下俩点：

（1）使样品能够处在所需测量的任何温度；

（2）在样品一端所提供的热功率，除许去通过样品传导外，从其它途近漏掉的应在误差许可范围之内。

为此我们采用了样品和液池用低热材料连接的高真空恒温器，在设计时，必需进行漏热的计算。

漏热的计算；

1、 估计许可的漏热；设所用铜样品计量长度L=7㎝，直径D=1㎝，截面积A=3·14×0·25㎝2。。铜的热

导率在80K 和300K 时分别取为λ≈5W ∕㎝K 及λ≈4W ∕㎝K 。假定在测热导时ΔT 的取值在80K 附近为1K ，在300K

附近为3K ，按照式（3-7-3）可算出要提供这样的温差，总加热功率分别为Q 80=39mW 及Q 300=94mW 。如果要求总误差

在3%以内，除去其它误差来源（如测ΔT 的误差，样品上测温差用的热偶接点的误差等）后，漏热引起的误差在1%

左右，则许可的漏热分别为q 80=390µW 及q 300=0·94mW 。

·通过固体引线的漏热：引起漏热的引线一共有六根：加热器上的俩根电流引线，四根热偶引线。所有引线的直

径均为0·1mm ，其中热电偶的俩根康铜线和两根锰铜线上电压引线热导很小，截面积又远比样品小，漏热少；漏热

主要来自俩根电流引线。

·辐射漏热 ：辐射漏热可用下式估计：

)(40411T T A Q r −=εσ

（3-7-4） 式中是斯忒潘-波尔兹曼常数，σ=5·67×10-12 W/㎝2·K 4；A 1是样品与电加热器接触表面积（㎝2）；ε1是它

们的平均辐射系数；T 和T 0分别是样品和环境的温度。算出的Q r 的单位为W 。在差别较小时，上式改为