良导体导热系数测量实验.doc

北方民族大学 基础物理实验中心 大学物理实验指导书

实验二 良导体导热系数测量实验

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。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。本实验仪采用稳定流动法测量良导体(黄铜)的导热系数，测量原理是传统的，而测量方法是新颖的。
一、实验目的
1．了解稳定流动法测定黄铜的导热系数基本原理，掌握其实验要点；
2．了解液位控制器的控制原理及流速调节；
3．测定黄铜样品热传导平稳时的四个温度值，用稳定流动法测定黄铜的导热系数。
二、实验仪器
FD-CHM-A型良导体导热系数测量实验仪由实验仪主机箱（内含良导体黄铜样品、四个集成温度传感器、铂电阻温度传感器、电加热器、PID温控单元、液晶显示模块）及具有流速控制功能的水箱等组成。

图-1 良导体黄铜样品
三、实验原理
设有一粗细均匀的金属圆柱体，其一端为高温端，另一端为低温端，测定时热量将从高温端流向低温端。高温端被加热一段时间之后，若圆柱体上各处的温度不变，而且向圆柱体侧面散失的热量也可以忽略时，则在相等的时间内，通过圆柱体各横截面的热量应该相等，这种状态称为热量稳定流动状态。如图1所示，假设通过截面的热量多于通过截面的热量，则在两个截面之间的一段圆柱体上就有热量的积聚，温度就要升高，既然圆柱体上各处的温度不变，则说明通过各截面的热量必然相等。

图2 良导体导热系数测定的原理图
通过圆柱体各横截面的热量在热量稳定流动状态下，在τ时间内，沿圆柱体各截面流过的热量Q按傅里叶热传导方程有
（1）
（1）式中：S为圆柱体横截面积，、为横截面、处的温度，为二截面间距离，比例系数λ即为被测材料的导热系数。
导热系数λ的大小表示物质单位长度内温度差为1℃时，在单位时间内通过单位截面所传导的热量，单位为。由方程（1）可知，测定良导体导热系数的关键问题是维持热量稳定流动状态与测定t时间内从圆柱体棒中所传过的热量Q。常使用稳定流动法，即使棒的一端保持稳定的高温，另一端用温度一定，流动速度一定的冷水来吸收棒中传导过来的热量。在热量稳定流动状态下，t时间内流出的冷却水质量为m，其温度由流入时的升高到，则被水带走的热量
（2）
（2）式中c为水的比热容。
将式(1)以及(d为圆柱体直径）代人式(2)便可求出λ，即
（3）
（3） 式中、、、可用高精度的数字式的温度传感器测量。
为了实现热量通过样品稳定流动的目的，仪器采用三项措施：（1）保持实验时通过圆柱体各处的热量恒定，防止从圆柱体侧面向外界散发热量，将整个圆柱体用保温材料缠绕并放在保温箱中；（2）高温端热源采用温控器稳定热端的温度，以利于缩短试样热流达到稳定所需的时间；（3）采用液位控制器使流入仪器的冷却水保持恒定的水压，使冷却水的流速稳定，从而较长时间保持待测样品热流恒定。这三项措施保证公式（1）方程的满足，减小实验误差。
四、 实验内容
1、学习传感器的定标方法；液位控制器的控制原理及冷却水流速的调节方法；1．学习液位控制器的控制原理及冷却水流速的调节方法；
2、理解稳定流动法测量良导体导热系数的原理；
3、用稳定流动法测量良导体铜的导热系数。
五、 实验步骤
(1)．根据液位控制器的原理连接流水管道，插上电源，开启电源开关；
(2)．同过主机箱上“温度控制”的两个按键设置样品热端的加热温度，开始对样品一端进行加热；
(3)．在最上方的水箱内盛入冷水，中间的水箱开始蓄水，当中间水箱的水开始从中心的管道下漏时，可认为中间水箱的水位基本恒定。然后调节流速控制器，使得单位时间内有适量的稳定流速的水流过样品的冷却端；
(4)．观察样品上A、B、D、C四点相应的温度值为、、、变化，四个温度基本稳定后方可测量数据；
(5)．样品待测四个温度基本稳定，五分钟内温度值波动在0.5℃之内（加热端的温度示值可能波动较大，但不影响实验），记录待测四个温度值，把干的三角型盛水器放在天平上称其质量；
(6)．将盛水器搁置在下方盛水箱一角，盛接样品冷却端流出的热水，同时按下主机箱上的“开始/停止”键，测量样品冷却端在一定时间内流出的热水的质量，同时再记录样品上A、B、D、C四点的温度值；
(7)．将测量的数据填入数据表格，并进行数据处理；
(8)．可以改变冷却水的流速或者样品热端的温度，多次做实验，并验分析实验结果。
六、注意事项
1．防止流速控制器下方盛水箱中的水溢出；
2．实验用的水要干净，不能带有残渣，以防止堵塞管道；
3．用手指弹动水流管道，可排除管道中的气泡；
4．使用完毕后，应将所有水箱及管道内的水排干；
5．若出水速度过慢，可用针型器物或者注射器对各管道接口进行疏通。
七、实验记录
表1 良导体导热系数测量温度

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测量开始

测量结束

平均

八、数据处理
1．统一单位制。
2．数据处理。
（1）黄铜圆柱体直径(多次测量取平均值)为 mm，样品上A、B之间的距离L(多次测量取平均值)为 mm。
（2）小盛水器的质量 g，盛水后的质量 g，即冷却水吸热后水的质量 g。
（3）水的比热，将上述数据带入公式，可得 。
查阅相关资料知，在的条件下，黄铜的导热系数参考值为。

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