导热系数是表征物体热传导性能的物理量.doc

　　导热系数是表征物体热传导性能的物理量。各种材料的导热系数不仅与构成材料的物质本身有关，而且与其结构、杂质含量及环境因素如温度、湿度、压力等有关。确定材料的导热系数需要用实验进行测量。
【预习重点】
　　（１）材料导热系数的测量原理和方法。
　　（２）热电偶的测温原理。
　　参考书：《温度测量》，Ｔ．Ｊ．奎恩著，第２５７页。
【仪器】
　　红外灯、杜瓦瓶、测温热电偶、数字电压表、待测样品、铜盘、支架。
【原理】
　　１８８２年法国数学、物理学家傅里叶给出导热方程，即在物体内部，取两个垂直于导热方向、彼此相距ｈ、温度分别为θ1和θ2（θ1＞θ2）的平行面，若平面面积为Ｓ，在δｔ时间内，通过面积Ｓ的热量δＱ满足下式：
δＱ／＝λＳ（θ1－θ2）／ｈ（９—１）
其中：δＱ／δｔ为热流量；λ为该物质的导热系数，单位为Ｗ／（ｍ·Ｋ）。其定义为相距１ｍ的两个面积为１m2的平面，其温度相差１℃，在１ｓ时间内通过的热量。实验装置如图９—１所示。

图９—１　导热系数测量实验装置示意
　　固定于底座上的３个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，在散热盘上安放一待测的圆盘样品，样品上再安放一圆筒加热体，圆筒加热体由其上方的红外灯提供热源，使样品上下表面维持温度θ1、θ２，θ1、θ２的值用安插在圆筒加热体、散热铜盘深孔中的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶的冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动势。由式（９—１）知，单位时间内通过待测样品任一圆截面的热量
（９—２）
式中：Ｒ为圆形待测样品的半径；ｈ为其厚度。当达到稳定状态时，θ1与θ2值保持不变，这时散热铜盘通过样品盘上表面的热流量与铜盘向周围散热的速率相等。故可通过铜盘在稳定温度θ2的冷却速率来求出热流量。铜盘在温度θ2的散热速率为（ｍ为铜盘的质量，Ｃ为其比热容）。当达到稳定状态时，有下式成立：
（９—３）
将式（９—３）代入式（９—２），得：
（９—４）
【实验要求】
　　（１）按图９—１安放好样品，连好测温回路。将红外灯电源电压调到１８０Ｖ左右，加热约２０ｍｉｎ，再将电压降至１３０Ｖ左右，然后每隔３ｍｉｎ～５ｍｉｎ读一下温度值，可直接用电压值代表温度值。如在１０ｍｉｎ内，样品上下表面的温度θ1、θ2值保持不变，即可认为达到稳定状态。记下此时的θ1、θ2值。
　　红外灯加热电压稳定在１３０Ｖ左右，记录每隔３ｍｉｎ～５ｍｉｎ读取的温度值：

　　（２）移去样品再加热。当铜盘温度的对应读数比θ2值高１ｍＶ左右时，停止加热，移去圆筒和红外灯。在移去样品和加热筒及红外灯时，要特别注意圆筒不要碰到红外灯，以免碰坏灯出危险。
　　（３）将样品覆盖在铜盘的上面，以保证铜盘的散热速率与初始状态相同。每隔３０ｓ读一次散热盘的温度值，记入下表，选取θ2附近的温度值，求出。

　　（４）样品的几何尺寸要用游标卡尺多次测量取平均值。散热盘的质量由物理天平测出。
　　（５）计算导热系数并求出其不确定度。给出正确的测量结果表达式。
　　可以直接用电动势值代表温度值，代入式（９—４）计算。
【思考题】
　　（１）在测量铜盘的散热速率时，为什么要将样品覆盖在它的上面？如果不将样品覆盖在铜盘上，式（９—４）将怎样修正？
　　（２）在计算导热系数时，为什么可以用电动势值直接代入式（９—４）？