不良导体热导率测定实验数据(长沙理工大学)
不良导体热导率的测定实验报告
不良导体热导率的测定实验报告一、实验目的1、了解热传导现象的基本规律。
2、学习用稳态法测量不良导体的热导率。
3、掌握热电偶测温的原理和方法。
二、实验原理当物体内存在温度梯度时，热量会从高温处向低温处传递，这种现象称为热传导。
对于一个厚度为＄d$、横截面积为＄S$ 的平板状不良导体，在稳定传热状态下，通过该导体的热流量＄Q$ 与导体两侧的温度差＄＼Delta T$ 成正比，与导体的厚度＄d$ 成反比，与导体的热导率＄＼lambda$ 成正比，即：＄Q ＝＼frac{＼lambda S ＼Delta T}｛d}＄如果在一段时间＄＼Delta t$ 内通过导体的热量为＄Q$，则热导率＄＼lambda$ 可表示为：＄＼lambda ＝＼frac{Qd}｛S\Delta T ＼Delta t}＄在本实验中，采用稳态法测量热导率。
将待测的不良导体样品制成平板状，放置在加热盘和散热盘之间。
加热盘通过电热丝加热，使热量通过样品传递到散热盘。
当加热盘和散热盘的温度稳定后，样品内的传热达到稳定状态，此时通过样品的热流量等于散热盘在单位时间内散失的热量。
散热盘在稳定温度下的散热速率可以通过测量散热盘的冷却曲线来确定。
当散热盘的温度高于环境温度时，它会向周围环境散热，其散热速率与散热盘的温度和环境温度之差成正比。
三、实验仪器1、热导率测定仪：包括加热盘、散热盘、热电偶、数字电压表等。
2、秒表3、游标卡尺4、电子天平四、实验步骤1、用游标卡尺测量样品的厚度＄d$ 和直径＄D$，计算出样品的横截面积＄S ＝＼frac{＼pi D^2}｛4}＄，用电子天平称出样品的质量＄m$ 。
2、将样品放在加热盘和散热盘之间，安装好热电偶，确保热电偶的测量端与样品良好接触。
3、接通电源，调节加热功率，使加热盘和散热盘的温度逐渐升高。
观察数字电压表的读数，当加热盘和散热盘的温度稳定后（温度变化在一定时间内小于＄01^｛＼circ}C$），记录此时加热盘和散热盘的温度＄T_1$ 和＄T_2$ 。
不良导体热导率的研究报告
实验报告课程名称：大学物理实验（一）实验名称：不良导体热导率的测量一、实验目的1.了解热传导现象的物理过程2.学习用稳态平板法测量不良导体的热导系数3.测量铜盘的散热速率二、实验原理图1是不良导体热导系数测量装置的原理图。
各部分为：A-传热圆筒、B-待测样品、C-铜盘、D-底座、E-红外灯、G-数字电压表、H-单刀双掷开关、J-杜瓦瓶。
为保证传热稳定，传热圆筒A、待测样品B和散热铜盘C三者的表面密切接触，如图2所示。
温度用热电偶的温差电动势表示，杜瓦瓶装有冰水混合物，为热电偶提供参考温度。
实验中，维持待测盘的上表面A有稳定温度，下表面铜盘C有恒定温度（侧面近似绝热）。
根据(1)式，在稳态时通过样品的传热速率可以写为，(2)式中为样品的厚度，为样品上表面的面积（为样品盘的半径），为待测样品盘的上、下表面的温度差，为导热系数。
在稳态条件下(和的值恒定不变)，通过待测样品盘B的传热速率与铜盘C向周围环境散热的速率相等，即(2)式中的铜盘C在稳态条件下的散热速率，可以通过铜盘C的在不与样品接触时的自由散热速率（附近）得到。
由于铜盘C的稳态散热面积为，自由散热面积为，因此，(3)其中和分别是铜盘C的半径和厚度。
根据比热容的定义，自由散热速率可写为，(4)其中和分别为铜盘C的质量和比热容，为铜盘C的冷却速率。
由式(2)、(3)和(4)可得样品B的导热系数为：(5)因此只要测出铜盘C的自由冷却速率，代入相关的参数即可求出样品的导热系数。
本实验用数字电压表测得的热电偶的温差电动势表示温度。
热电偶的温度-电压系数是定值，根据(5)式可知，只需测定电压以及电压的变化率，不需计算具体的温度值。
加热装置通过自耦调压器和红外灯来实现。
通过维持加热电压等于110V，待系统达到稳态，记录稳态下铜盘C的电压值，然后测量铜盘C在该稳态电压值附近的自由散热系数，结合质量、厚度等参数即可得到该稳态下的样品的导热系数。
三、实验仪器：2.不良导体热导率的测量3.实验仪器：导热系数测量仪、杜瓦瓶、自耦调压器、数字电压表、秒表、游标卡尺、橡胶盘四、实验内容：测量橡胶盘的导热系数1.用游标卡尺测量铜盘和橡胶盘的直径和厚度，记录表格1；2.打开主仪器放大图，把红外灯上移（需先断开红外灯的连线5），同时把保温桶移开（需先断开加热盘的连线1），然后把橡胶盘放置在铜盘C上，最后移回保温桶和红外灯；3.按图7连接电路；4.双击“数字电压表”，并调零和选择量程（）；5.双击“自耦调压器”，把电压调至，等待样品导热达到稳态；等待过程中不断切换单刀双掷开关，并观察测量值，如果在10分钟内加热盘和散热盘的温度基本没有变化，则可认为达到稳态（为缩短达到稳态时间，可先将红外灯电压调至左右，大约5分钟后再将到）；记录稳态下加热盘A的电压和铜盘C的电压7.移开红外灯（需先断开红外灯的连线5）和保温桶（需先断开加热盘的连线1），取出橡胶盘，再把红外灯和保温桶复位，并连接好线；8.使铜盘C加热至高于稳态温度10度左右（电压增加约，建议不要高太多，否则降温值需要较长时间）；9.把调压器电压减小为0，移开红外灯和保温桶，让铜盘C自由冷却，每隔30s记录一次电压值，选择最接近前后的6个数据，记录表格2；10.用逐差法求出铜盘C的冷却速率，并计算橡胶盘的导热系数；用作图法求出冷却速率五、数据记录：表1 铜盘和橡胶盘的尺寸测量铜盘质量：，橡胶盘质量：铜的比热容：测量次数 1 2 3 平均值铜盘直径(mm) 128.32 128.32 128.34 128.32铜盘厚度(mm) 7.14 7.16 7.14 7.14 橡胶盘直径(mm) 130.08 130.08 130.06 130.07 橡胶盘厚度(mm)8.128.128.148.12表2 铜盘的自由冷却速率测量 稳态时加热盘A 的温度对应的电压：稳态时铜盘C 的温度对应的电压：时间（s ） 030 60 90 120 150 180 210电压V_C(mV) 2.72 2.66 2.62 2.57 2.52 2.48 2.44 2.39时间（s ） 240 270 300 330 360 390 420 电压V_C(mV)2.38 2.34 2.29 2.26 2.22 2.18 2.14六、数据处理逐差法计算冷却速率，选择靠近平衡温度的六个温度点:0 30 60 90 120 150 2.722.662.622.572.522.48dT (2.48 2.62)(2.52 2.6)(2.57 2.72)0.001604/3*30*3mV s dt -+-+-==-导热系数的大小：()()2122 0.11/(*)2 (())C C dTB dt BC C R h mch W m k R T T R h λπ+=-=-+七、结果陈述：这个散热速率和时间符合线性规律 导热系数为0.11W/(m*k)八、实验总结与思考题试分析实验中产生误差的主要因素以及实验中是如何减小误差的？ 操作时间要准确，多次测量取平均值傅里叶定律中 (传热速率)是不易测准的量。
实验26 测量不良导体的导热系数
测量不良导体的导热系数林一仙 一 实验目的1、 用稳态平板法测量不良导体的导热系数2、 用物体的散热速率求传热速率3、 掌握热电偶测量温度的方法 二 实验仪器导热系数仪、杜瓦瓶，热电偶、FPZ-1型多量程直流数字电压表、游标卡尺、停表 三 实验原理 （一） 稳态平板法ht Q 21θθλ-A =∆∆ tQ∆∆为热流量，λ为该物质的导热系数，也称热导率，h-样品厚度， A-样品面积。
所谓稳态指的是高温物体传热的速率等于低温物体散热的速率时，系统便处于一个稳定的热平衡状态。
（二） 实验装置及方法d ht Q 2142πθθλ-=∆∆A- 加热铜盘，P-散热铜盘；d-样品盘的直径，h-样品盘的厚度；θ1-加热铜盘的温度，θ2-散热铜盘的温度。
（三） 冷却法测量散热铜盘的散热速率∵ dt d t Q c m P P θ=∆∆散 ；dtd θ 是曲线在θ2点的斜率，如下图∴ ()dtd h d c m P P θθθπλ2124-= 四 实验内容及步骤1、测量样品盘的厚度h 和直径d ，并记录散热铜盘的质量。
2、调节支架上的三个螺丝使它往下降一部份，将散热铜盘放在它的上面，再往上放样品盘，然后将加热器放在样品盘上面，使三个盘紧密接触，然后把加热器固定，再用三个螺丝往上拧，使整个系统固定不动。
3、将热电偶的插头分别插入两对孔中，并打开毫伏计（要调零）判断热端冷端，将热端分别插入加热铜盘和散热铜盘，冷端插入杜瓦瓶中。
4、用220v 电压加热15分钟，再用110v 加热同时打开风扇，大约半小时后每隔壁5分钟观察θ1、θ2的值各一次，直到观察到连续两组的数值不变即可认为系统达到稳态，记录这组数据。
5、重新用220v 电压加热同时关掉风扇，观察θ2的变化，当达到 θ2+0.2mv 时停止加热并移开加热器同时打开风扇。
观察θ2的变化当温度回落到θ2+0.2mv 时开始每隔壁30秒读一次数据直到θ2-0.2mv ，关掉风扇即完成此次操作。
不良热导体导热系数的测定实验报告
实验所测不良热导体的导热系数为： 0.141W/(m·k) 与参考值比较的相对误差为： E 9.6% 分析讨论
1.实验误差主要来源于对直径、高度和质量的测定，以及实验中测定散热速率方法造成的误差。 2.如果实验中板之间接触不好出现空气夹层，会使得传导速率减小从而增大温差，给实验带来误差。 为了减小空气层的影响，使用前将上下两个铜盘擦干净，以保证良好接触。
T (℃)
61.00
60.75
60.50
60.25
59.75
60 63.00 160 59.50
70 62.25 170 59.00
80 62.00 180 58.25
90 61.75 190 57.75
100 61.25 200 57.00
根据表 2 绘制时间与温度曲线如下图所示
图 1 温度随时间变化曲线
平衡，按“Enter”键确定，显示“OK”后记录平衡温度 T 1 、 T 2 。
3. 热平衡后，关闭加热开关，按“Quit”键退出，让上下铜盘直接接触，进入“再升温”选项，当 T 2 高于
下铜盘平衡温度 10℃后，显示“OK”。
4. 在升温后按“quit”键退出，取走加热盘，进入“冷却”选项，待冷却过程结束后，在 T 2 附近，上下各
(
0.0387)
Байду номын сангаас
0.141W/(m·k)
对于实验室温度为 293.15K，可求出此时不良导体导热系数的参考值：
0.140(
293.15
)
3 2
0.156
W/(m·k)
273.15
将计算值与参考值进行比较，计算相对误差：
E
100%
0.141 0.156 100% 9.6% 0.156
不良导体导热系数的测定
不良导体导热系数的测定热量的传递一般分为三种: 热传导、热对流、以及热辐射。
其中的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。
不同物体的导热性能各不相同, 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。
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。
【预备问题】① 如何判断不良导体中的导热过程达到了稳定？ ② 不良导体样品盘的厚度对测量结果有影响吗？③ 如果测量高低温热源温度所分别使用的温度计读数有偏差, 将会产生什么样的影响？有什么办法消除或减小影响？【引言】1. 热传导定律当物体内部各处的温度不均匀时, 就会有热量从温度较高处传递到温度较低处, 这种现象叫热传导现象。
早在1882年著名物理学家傅立叶（Fourier ）就提出了热传导的定律: 若在垂直于热传播方向x 上作一截面△S, 以 表示 处的温度梯度, 那么在时间△t 内通过截面积△S 所传递的热量△Q 为S dx d t Q x ∆⎪⎭⎫⎝⎛-=∆∆0θλ （3.14.1） 式（3.14.1）中 为传热速率, 负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处, 与温度梯度方向相反。
非良导体导热系数的测量实验
非良导体导热系数的测量导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
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。
一、实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用热交换法测量良导体的导热系数。
二、实验仪器FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台。
1、热导率测量的实验装置如图1所示2、FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台面板如图2所示C B A图1三、实验原理1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier ）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。
测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。
当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。
傅立叶指出，在dt 时间内通过dS 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即：dS dxdTdt dQ -λ= （1） 式中dtdQ 为传热速率，dx dT 是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度，“－”号表示热量由高温区域传向低温区域，λ是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI 中λ的单位是W ·m -1·K -1。
对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。
如图4所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的T 1和T 2（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为B BS h TT dt dQ 21-λ= （2） 式中h B 为样品厚度，S B =πR 2B 为样品上表面的面积，（T 1-T 2）为上、下平面的温度差，λ为导热系数。
不良热导体的热传导系数及比热测量数据分析
（5）数据分析U(t1-tc)~τ，U(t1-t2)~τ曲线图如下从图中可以看出准稳态从10min 开始出现，进入稳态时中心面的温度开始随时间线性增加，温差基本为定值，解释如下： 当5.0R a F 20>=τ即a R 5.02>τ时，有()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-61R2x R a R q t x t 222c 0τλτ，，此时各处点的温度随温度呈线性变化，因此中心面温度曲线走势为直线，而同一时刻任意两点的温差为定值，因此温差曲线为水平直线。
可以算出温差和升温速率K 9.44010196.0k )TT (U T T t 3100=⨯==-=Δ s /V 373167.0min /mV 02239.0dtdU μ== s /K 009329.040373167.0dt dU k 1d dt 1==•=τ 加热电阻()Ω±=09.026.55r ，加热电压()V 0374.01976.18U ±=加热可求中心面传导的热流密度，进而可以求出导热系数和比热()()2c 222222222222222c 2222c m /J 634.1184.369q m /J 634.109.026.55090.021796.180374.026.55090.021796.182r Fr 2U U Fr 2U 2q m /J 184.36926.55090.021796.18Fr 2U q ±==⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-+⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆=⨯⨯==加热加热加热加热()()()()K m /J 002.0377.0K m /J 002.090.42010.0634.1t 2R q K m /J 377.090.42010.0184.369t 2R q c c •+=•=⨯⨯=∆∆=∆•=⨯⨯=∆=λλλ ()()()()K kg /J 63.165.367c K kg /J 63.1009329.0090.01196634.1d dt R q c K kg /J 65.367009329.0090.01196184.369d dt R q c c c •±=•=⨯⨯=∆=∆•=⨯⨯==τρτρ 如果热流密度按电功率的85%来修正，则重新计算导热系数和比热()()()()K m /J 002.0320.0K m /J 002.090.42010.0634.1%85t 2R q %85K m /J 320.090.42010.0184.369%85t 2R q %85c c •+=•=⨯⨯=∆∆=∆•=⨯⨯=∆=λλλ ()()()()K kg /J 39.150.312c K kg /J 39.1009329.0090.01196634.1%85d dt R q %85c K kg /J 50.312009329.0090.01196184.369%85d dt R q %85c c c •±=•=⨯⨯=∆=∆•=⨯⨯==τρτρ 实验结果：实验所测不良热导体的导热系数为，修正值为，比热容为，修正值为 ()()K m /J 002.0377.0•+=λ()()K m /J 002.0320.0•+=λ()()K kg /J 63.165.367c •±=()()K kg /J 39.150.312c •±=。
不良导体导热系数的测量
实验题目：不良导体导热系数的测量实验目的：了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并利用作图法求冷却速率。
实验原理：1、导热系数导热系数是反映材料热性能的重要物理量。
目前对导热系数的测量均建立在傅立叶热传导定律的基础上。
本实验采用稳态平板法。
根据热传导理论，当物体内部存在温度梯度时，热量从高温向低温传导：dx dt dTdt dQ ⋅-=λ其中λ就是导热系数。
2、不良导体导热系数的测量样品为一平板，当上下表面温度稳定在T 1、T 2，以h B 表示样品高度，S B 表样品底面积：B BS h T T dt dQ⋅-=21λ由于温差稳定，那么可以用A 在T 2附近的dT/dt （冷却速率）求出dQ/dt 。
根据散热速率与散热面积成正比，则dt dQ h R h R dt dQ h R R h R R dt dQ PA A A A P A A A A A A ⋅++=⋅++=2)(2)2(ππ又根据dt dTmc dtdQ P ⋅= 有dt dTh R T T R h R mch A A B A A B ⋅+-+=))((2)2(212πλ从而通过测量以上表达式中的量得到导热系数。
实验装置：如图实验内容：1、用游标卡尺测量A 、B 两板的直径、厚度（每个物理量测量3次）；2、正确组装仪器后，打开加热装置，将电压调至250V 左右进行加热至一定温度（对应T 1电压值大约在3.20-3.40mV ）；3、将电压调至125V 左右，寻找稳定的温度（电压），使得板上下面的温度（电压）10分钟内的变化不超过0.03mV ，记录稳定的两个电压值；4、直接加热A 板，使得其温度相对于T 2上升10度左右；5、每隔30s 记录一个温度（电压）值，取相对T 2最近的上下各6个数据正式记录下来；6、整理仪器；数据处理。
实验数据：表一：A 、B 板的几何尺寸测量结果A 质量m=806g ，比热容c=0.793kJ/kgK 。