金属导热系数测量实验报告

金属导热系数测量实验报告

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金属导热系数测量实验报告

姓名:陈岩松 学号：5501２１

5012

学院:高等研究院

班级:15级本硕实验班

一、实验目的:

１．掌握稳态法测定金属良导热体的导热系数。 ２．了解物体散热速率和传热速率的关系。 3.理解温差热电偶特性。

二、实验原理:

根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为T １、

Ｔ２的平行平面（设Ｔ１>T 2），若平面面积均为S ，在t ∆时间内通过面积Ｓ的热量Q ∆免租下述表达式：

ﻩ

h

T T S t Q

)(21-=∆∆λ （1） 式中,

t

Q

∆∆为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差１个

单位时,单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(K m W ⋅。

在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品Ｂ,再把带发热器的圆铜盘Ａ放在B 上，发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于Ａ,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度T 1、T 2，T 1、T ２分别插入金属圆筒边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关Ｇ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为

221)(B

B

R h T T t Q

πλ-=∆∆ (２） 式中，b R 为样品的半径，b h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,T 1和Ｔ2的值不变，通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此,可通过铜盘Ｐ在稳定温度T 2的散热速率来求

出热流量t

Q

∆∆。实验中,在读得稳定时T １和T 2后，即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘Ｐ直接接触。

当铜盘Ｐ的温度上升到高于稳定时的T 2值若干摄氏度后，在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度T 随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在T 2的冷却速率3

T T t

T

=∆∆,而3

T T t

T mc

=∆∆，就是铜盘Ｐ在温度为T 3时的

散热速率。但要注意，这样求出的

t

T

∆∆是铜盘P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率,其散热表面积为P P B h R R ππ222+。然而,在观察测量样品的稳态传热时,Ｐ盘的上表面是被样品覆盖着的，并未向外界散热,所以当样品盘B 达到稳定状态时,散热面积仅为：P P P

h R R ππ22

+。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比,在稳态是铜盘散热速率的表达式应作如下修正:

)

22()

2(2

2

P P P p P P h R R h R R t T mc t Q ππππ++∆∆=∆∆ (3） 将式（3）代入(2),得

2211

))(22()2(B

P P B p P R T T h R h h R t T mc

πλ⋅-++∆∆=

三、实验仪器：

TC-3导热系数测定仪、杜瓦瓶

四、实验内容和步骤：

（1） 先将两块橡胶盘套在金属圆通的两端,然后置于加热盘A 和散热盘P 之间,调节散热盘Ｐ下方的三

颗螺丝,使金属圆筒与加热盘A 及散热盘P 紧密接触。 （2） 在杜瓦瓶中放入自来水,将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中,热端分别插入金属圆筒侧面上下的小孔

中，并分别将热电偶的接线连接到导热系数测定仪的传感器I 、II 上。 （3） 接通电源,将加热开关置于高档，大约加热90分钟后，传感器Ⅰ的读数不再上升时，说明已达到

稳态，开始计时，每隔２分钟记录U T1和ＵT ２的值。

（4） 测量散热盘在稳态值T 3附近的散热速率⎪⎭

⎫

⎝⎛∆∆t Q 。移开加热盘A,先将两测温热端取下,再将T 2的测

温热端插入散热盘Ｐ的侧面小孔,取下金属圆筒,并使加热盘A 与散热盘Ｐ直接接触,当P 盘的温

度上升到高于稳态值V T3值的电势约0.2mV 时，再将铜盘A 移开,让铜盘Ｐ自然冷却,每隔30秒记录此时的T ２值。

（5） 记录散热盘P 的直径、厚度、质量和金属圆筒的直径、长度。

五、实验数据记录和处理

铜的比热C g cal c ⋅⋅=- 109197.0 铜盘质量g m 820= 铜盘直径D=1２.76ｃm （cm R P 38.6=) 铜盘厚度=p h 0．７2cm 橡胶盘直径１2.９5ｃｍ 橡胶盘厚度0．8c ｍ 铝棒直径3.9cm （cm h B 95.1=) 铝棒长度9.0c ｍ（cm h B 0.9=) 达到稳态后测量的数据如下

序次 1 2 3 4 5 平均值 U1/m V 2.32 2.33 2.35 2.36 2.37 2.35 U2/m V

2.10

2.12

2.13

2.14

2.15

2.13

稳态时T 3对应的U 3=2.20ｍV 时间/s 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 U 3/m V

2.28

2.22

2.15

2.08

2.02

1.96

1.90

1.84

1.79

1.74

画出电势时间图像如下

则散热速为

t

U

∆∆=-ｋ=0.002 由记录的以下数据

y = -0.002x + 2.332

00.511.5

22.50

50

100

150

200

250

300

350

U 3

t

U3-t 图