實(shí)驗(yàn)十七穩(wěn)態(tài)法測(cè)定非良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

1、實(shí)驗(yàn)十七實(shí)驗(yàn)十七穩(wěn)態(tài)法測(cè)定非良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率穩(wěn)態(tài)法測(cè)定非良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的有關(guān)概念和冷卻速度的測(cè)定方法。2.了解傅立葉傳熱定律，測(cè)定非良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。教學(xué)要求1了解物理量的間接測(cè)量方法。2學(xué)習(xí)用作圖法確定瞬態(tài)量的方法。實(shí)驗(yàn)器材EH3數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，盤式加熱器，待測(cè)非良導(dǎo)體，溫度計(jì)(0～500C和0～1000C各一支)，游標(biāo)卡尺，電子秒表（具有多次記時(shí)功能）。熱傳導(dǎo)是熱量傳播的三種方式之一，它是由物體直接接觸而產(chǎn)生的，

2、熱導(dǎo)率是反映物體熱傳導(dǎo)性能的一個(gè)物理量，熱導(dǎo)率大的物體具有良好的導(dǎo)熱性能，稱為熱的良導(dǎo)體；熱導(dǎo)率小的物體則稱為熱的非良導(dǎo)體。一般說來，金屬的熱導(dǎo)率比非金屬大，固體的熱導(dǎo)率比液體大，氣體最小。測(cè)定物體的熱導(dǎo)率對(duì)于了解物體的傳熱性能具有重要意義，在消防研究與鑒定中，經(jīng)常需要了解材料的熱導(dǎo)率，以確定建筑物的放火等級(jí)與耐火極限等。本實(shí)驗(yàn)是用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定非良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)原理穩(wěn)態(tài)法測(cè)定熱導(dǎo)率是利用傅立葉傳熱定律來進(jìn)行的。設(shè)有一厚度為Ｌ，底面積為

3、Ｓ0的薄圓板，上、下兩底面的溫度分別為Ｔ1和Ｔ2，且Ｔ1Ｔ2，則有熱量自上底面?zhèn)飨蛳碌酌?。由傅立葉傳熱定律得：（171）dldTSdtdQ0???記，稱為熱流速率，它代表單位時(shí)間流過薄圓板的熱量。是薄圓板內(nèi)熱dtdQ??dldT流方向上的溫度梯度，由于熱流方向與溫度梯度的方向相反，式中用一個(gè)負(fù)號(hào)來表示。是待測(cè)薄圓板材料的熱導(dǎo)率，它是由薄圓板的傳熱性質(zhì)所決定的常數(shù)。?如果能保持上、下兩底面溫度不變（這種狀態(tài)稱為穩(wěn)恒態(tài)），且傳熱面均勻（在實(shí)

4、際實(shí)驗(yàn)中，即要求很小或《，薄圓板側(cè)面的散熱可以忽略，則L2L0S(172)LTTlTdldT12?????將（172）式代入（171）式得，整理可得LTTSdtdQ120??????(173))(120TTSL?????由(173)式可知，測(cè)量熱導(dǎo)率的關(guān)鍵是：一是在待測(cè)薄圓板中建立熱傳導(dǎo)穩(wěn)恒?態(tài)，測(cè)出待測(cè)薄圓板兩底面的穩(wěn)恒溫度；二是測(cè)出穩(wěn)恒態(tài)時(shí)待測(cè)薄圓板內(nèi)的熱流速率?。下面就分別予以討論。1穩(wěn)恒態(tài)的建立即(177)dDdDcmndDdD

5、4244240????????將上式代入(173)得(178)122)2()4(2TTndDDdDcmL???????可見，通過實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)穩(wěn)恒態(tài)，并在此基礎(chǔ)上測(cè)出Ａ的冷卻曲線，便可由(178)式算出待測(cè)材料的熱導(dǎo)率。操作步驟１建立穩(wěn)恒態(tài)，測(cè)量C、A的穩(wěn)恒溫度。由于穩(wěn)恒態(tài)的建立與過程無關(guān)，為縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在接通電源對(duì)Ｃ加熱時(shí)，可先將待測(cè)薄圓板移開，將Ｃ與Ａ直接接觸，通過Ｃ直接將Ａ加熱到它的穩(wěn)恒溫度點(diǎn)附近（當(dāng)Ｃ的設(shè)定穩(wěn)恒溫度為900Ｃ時(shí)，

6、Ａ的穩(wěn)恒溫度在冬天約為270Ｃ，夏天約為390Ｃ）；然后再將Ｂ插入，耐心等待大約40分鐘，認(rèn)真觀察A、C的溫度變化，在C的溫度穩(wěn)定的前提下，如果A的溫度在５分鐘內(nèi)變化不到0.10Ｃ，即可認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)恒態(tài)。記下C、Ａ的溫度分別為Ｔ1、Ｔ2。２在自然冷卻的情形下，測(cè)量Ａ的冷卻曲線——溫度隨時(shí)間變化規(guī)律的曲線。首先將C與A直接接觸數(shù)秒，當(dāng)A的溫度達(dá)到T22.000C時(shí)移去C；然后從Ｔ2＋1.500Ｃ到Ｔ21.500Ｃ測(cè)量A的冷卻規(guī)律，A

7、的溫度每改變0.10C記錄一次時(shí)間。３用游標(biāo)卡尺測(cè)出待測(cè)薄片Ｂ的厚度L，鋁圓柱體Ａ的高度ｄ和底面直經(jīng)Ｄ，記下Ａ盤的質(zhì)量m。４在坐標(biāo)紙上作Ａ的冷卻曲線，并在穩(wěn)恒溫度Ｔ2處作此曲線的切線，求出切線的斜率ｎ，此即熱流速率。５利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，代入(178)式，求出薄圓板的熱導(dǎo)率。?注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)中，注意不要接觸儀器的加熱部分，以免燙傷2盤Ａ內(nèi)插入長(zhǎng)溫度計(jì)，加熱盤Ｃ內(nèi)插入短溫度計(jì)，二者不可交換，長(zhǎng)溫度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)能達(dá)到0.010Ｃ的數(shù)量級(jí)。3一定

8、要等到穩(wěn)恒態(tài)建立后，并且已準(zhǔn)確記下Ａ、Ｃ的穩(wěn)恒溫度Ｔ2、Ｔ1，才能關(guān)掉電源。4測(cè)量Ａ的自然冷卻速度時(shí)，特別在溫度T2附近要盡量多讀取一些數(shù)據(jù)。5建立穩(wěn)恒態(tài)時(shí)，當(dāng)Ａ接近穩(wěn)恒溫度時(shí)要特別注意觀察Ａ的溫度變化。6加熱時(shí)，可先加上高電壓，然后降低電壓。問題討論１實(shí)驗(yàn)中介紹的測(cè)量的方法是否適合于測(cè)量熱的良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率？為什么？２為什么要在通過縱坐標(biāo)為Ｔ2的ＴA～t曲線上的點(diǎn)作切線，此切線的斜率代表什么？如不通過Ｔ2點(diǎn)作切線，則用此切線的斜率代入式