良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定

1、本科學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定 學(xué) 院 物理與電子信息學(xué)院 專 業(yè) 2012 物理學(xué) 學(xué)生姓名 王雪佳 學(xué) 號 120801035 指導(dǎo)教師 金偉 職稱 副教授 論文字?jǐn)?shù) 5470 完成日期 2016 年 4 月 1 日論文題目 良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定 學(xué)生姓名、學(xué)院：王雪佳、物理與電子信息學(xué)院中文摘要 隨著導(dǎo)熱系數(shù)在工程技術(shù)方面的用途越來越廣泛，物體的導(dǎo)熱系數(shù)通常需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試確定，本實(shí)驗(yàn)是采用穩(wěn)態(tài)平板法測定物體的導(dǎo)熱系數(shù)。介紹了一種測量良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，該方法克服了熱電偶測溫方法的不足，采用數(shù)字溫度傳感器測溫和控溫技術(shù)測量，使實(shí)驗(yàn)誤差減少，而實(shí)驗(yàn)操作變得更直觀、方

2、便。 關(guān)鍵詞： 穩(wěn)態(tài)法；導(dǎo)熱系數(shù)；散熱速率；良導(dǎo)體 英文題目 Determination of the thermal conductivity of good conductor 學(xué)生姓名、學(xué)院： Wang Xuejia The College of Physical and Electronic Information英文摘要 As the coefficient of thermal conductivity USES more and more widely in engineering technology, the coefficient of thermal conductivi

3、ty of objects usually need to be determined through experimental tests, this experiment is to use the steady-state plate method for determining the coefficient of thermal conductivity of the object. Introduces a kind of good conductor coefficient of thermal conductivity measurement, the method overc

4、ome the deficiency of the thermocouple temperature measurement method, using digital temperature sensor temperature test measured temperature control technology, reduce experiment error, and the experimental operation becomes more intuitive and convenient. 英文關(guān)鍵詞 Steady-state method;Thermal Conductiv

5、ity;Cooling rate;Good conductor 安徽師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評定意見指導(dǎo)教師評語主要內(nèi)容包括：學(xué)生寫作態(tài)度、科研作風(fēng)，論文選題的理論意義和實(shí)踐價(jià)值，論據(jù)是否充分、可靠，掌握基礎(chǔ)理論、專門知識、研究方法和技能的水平，寫作的邏輯性、技巧及其他優(yōu)缺點(diǎn)。成績： 簽名： 年月日安徽師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評定意見專業(yè)負(fù)責(zé)人系主任評定意見成績：（優(yōu)、良、中、及格、不及格） 專業(yè)負(fù)責(zé)人（系主任）簽名：年月日學(xué)院意見成績：（優(yōu)、良、中、及格、不及格） 院長簽章：年月日目 錄引言- 31實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理- 31.1 實(shí)驗(yàn)裝置- 31.2 實(shí)驗(yàn)原理- 42 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容-

6、 53.數(shù)據(jù)記錄及處理- 64.測量誤差的主要來源及測量結(jié)果的影響要素-75 注意事項(xiàng)-136結(jié)論-參考文獻(xiàn)-1311良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定 王雪佳，物理與電子信息學(xué)院摘 要：隨著導(dǎo)熱系數(shù)在工程技術(shù)方面的用途越來越廣泛，物體的導(dǎo)熱系數(shù)通常需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試確定，本實(shí)驗(yàn)是采用穩(wěn)態(tài)平板法測定物體的導(dǎo)熱系數(shù)。介紹了一種測量良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，該方法克服了熱電偶測溫方法的不足，采用數(shù)字溫度傳感器測溫和控溫技術(shù)測量，使實(shí)驗(yàn)誤差減少，而實(shí)驗(yàn)操作變得更直觀、方便。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)法；導(dǎo)熱系數(shù)；散熱速率；良導(dǎo)體Determination of the thermal conductivity of good con

7、ductorWang Xuejia, School of Physics and Electronic InformationAbstract：As the coefficient of thermal conductivity USES more and more widely in engineering technology, the coefficient of thermal conductivity of objects usually need to be determined through experimental tests, this experiment is to u

8、se the steady-state plate method for determining the coefficient of thermal conductivity of the object. Introduces a kind of good conductor coefficient of thermal conductivity measurement, the method overcome the deficiency of the thermocouple temperature measurement method, using digital temperatur

9、e sensor temperature test measured temperature control technology, reduce experiment error, and the experimental operation becomes more intuitive and convenient.Key words: Steady-state method; Thermal Conductivity; Cooling rate; Good conductor         

10、60;引言導(dǎo)熱系數(shù)是材料的熱物性參數(shù)之一，也是固體最重要的熱物性參數(shù)。對于材料的使用在理論研究和工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用方面具有重要意義。而導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法精確測定。一般說來，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大；固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因此，某種物體的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成物體的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且還與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力、濕度及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。    測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法很多，沒有哪一種測量方法適用于所有的情形，對于特定的應(yīng)用場合，也并非所有方法都能適用。要得到準(zhǔn)確的測量值，必須基于物體的導(dǎo)熱系數(shù)范圍和樣品特征，選擇正確的測量方法。測

11、量方法可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類。穩(wěn)態(tài)法是使加熱和散熱達(dá)到平衡狀態(tài)、樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度分布的條件下進(jìn)行測量的方法。而非穩(wěn)態(tài)法在測量過程中樣品內(nèi)部的溫度分布隨時(shí)間是變化的，測出這種變化，再利用物體已知的密度和比熱，求得導(dǎo)熱系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用TC-B3型穩(wěn)態(tài)法測量物體的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法設(shè)計(jì)思路清晰、方便，具有典型性和實(shí)用性。1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理1.1實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置包含熱端溫控傳感器、溫度傳感器、保溫材料、加熱器、散熱器、底座。加熱器、待測材料和散熱器通過緊固件與底座連成一體。實(shí)驗(yàn)儀含數(shù)字測溫表、溫度控制器和相應(yīng)的開關(guān)和選擇鍵。待測樣品導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。待測樣品上表面與加熱盤(上

12、面的黃銅盤)的下表面接觸，加熱盤由內(nèi)部電熱絲供熱，用智能溫度調(diào)節(jié)器來控制加熱(給加熱溫度設(shè)定一上限)，加熱盤將熱量通過樣品上表面?zhèn)魅霕悠罚瑯悠废卤砻媾c散熱盤(下面的黃銅盤)的上表面相接，即樣品中的熱量通過下表面向散熱盤散發(fā)。加熱盤和散熱盤的溫度分別由兩個(gè)測溫傳感器測出。11.2實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)物體內(nèi)部有溫度梯度存在時(shí)，其熱量將從高溫處傳遞到低溫處。在dt時(shí)內(nèi)通過dS面積的熱量dQ正比于物體內(nèi)的溫度梯度，即有 式中，dQ/dt為傳熱速率，dT/dx-是與面積dS相垂直的力一向上的溫度梯度，“-”號表示熱量由高溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域從是導(dǎo)熱系數(shù)，表示物體導(dǎo)熱能力的大小。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩

13、個(gè)垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫度分別為T1、T2的平行平面（設(shè)T1>T2），若平面面積均為S，在t通過面積S的熱量Q述表達(dá)式： 式中,為熱流量;即為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度相差1個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是。2 首先在支架上先放上圓銅盤P，在銅板P的上面放上待測樣品B，再把帶發(fā)熱器的圓銅盤A放在B上，加熱盤通電后，熱量從A盤傳到B盤，再傳到P盤，由于A、P都是良導(dǎo)體，其溫度即可以代表B盤上、下表面的溫度T1、T2，T1、T2分別插入A、P盤邊緣小孔的鉑溫度傳感器E來測量。通過調(diào)換溫度傳感器插入位置，即可改變鉑電阻溫度傳感器的測量

14、對象。由式上式可以知道，單位時(shí)間內(nèi)通過待測樣品B任一截面的熱流量為 式中，RB為樣品的半徑，hB為樣品的厚度。當(dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，T1和T2的值將保持不變，也就是說通過B 盤上表面的熱流量與由銅盤P向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤P在穩(wěn)定溫度T2的散熱速率來求出熱流量 。實(shí)驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定狀態(tài)的T1和T2后，即可將樣品B移去，而使發(fā)熱盤A與銅盤P直接接觸加熱。當(dāng)銅盤P的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的T2值若干攝氏度后，在將A移開，讓P自然冷卻。觀察其溫度T隨時(shí)間t變化情況，然后由此求出銅盤在T3的冷卻速率 ,則就是銅盤P在溫度為T3時(shí)的散熱速率。3要注意，這樣求出的 是銅盤P在表面完全暴

15、露于空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為 。然而，在觀察測量樣品的穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，P盤的上表面是被樣品覆蓋著的，并未向外界散熱，所以當(dāng)樣品盤B達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，散熱面積僅為： 。考慮到物體的冷卻速率與它的表面積成正比，在穩(wěn)態(tài)是銅盤散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作如下修正： 將上式代入，得 42.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測量P盤和待測樣品的直徑、厚度，測P盤的質(zhì)量。要求：（1）用游標(biāo)卡尺測量待測樣品直徑和厚度，各測5次。（2）用游標(biāo)卡尺測量P盤的直徑和厚度，測5次，按平均值計(jì)算P盤的質(zhì)量。也可以用電子秤稱出P盤的質(zhì)量。2.良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量（1）連接導(dǎo)線：實(shí)驗(yàn)時(shí)，在儀器機(jī)箱的后部根據(jù)指示牌所指示內(nèi)容（溫度傳感器、加熱電源、風(fēng)扇

16、電源），用三根專用導(dǎo)線與測試支架上的三個(gè)插座連接，兩個(gè)鉑電阻測溫傳感器導(dǎo)線接到測試支架的切換開關(guān)上的插座中，通過切換開關(guān)后與儀器機(jī)箱前面板上左側(cè)的“測溫傳感器”插座相聯(lián)。 （2）安裝待測樣品：在支架上先放上散熱圓銅盤P，再在P的上面放上待測樣品，然后再把帶發(fā)熱器的銅盤A放在盤P上，再調(diào)節(jié)三個(gè)螺栓，將圓柱體金屬鋁棒置于發(fā)熱圓盤與散熱圓盤之間，使鋁圓柱樣品的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱盤A和散熱銅盤P密切接觸。將兩個(gè)鉑電阻測溫傳感器分別插入發(fā)熱銅盤A（上盤）和散熱銅盤P（下盤）上的小孔中。 （3）設(shè)置加溫上限溫度：接通電源，在“溫度控制”儀表上設(shè)置加溫的上限溫度如100。 （4）測量穩(wěn)態(tài)溫度：打開加熱開關(guān)，

17、每隔2分鐘記鋁圓柱樣品上下端的溫度，當(dāng)發(fā)上小孔、下小孔鉑電阻傳感器溫度不再上升時(shí)（大約需要加熱40分鐘左右），說明系統(tǒng)己達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)每隔 5 分鐘測量并記錄T1和T2的值。 （5）散熱速率的測量：在讀得穩(wěn)態(tài)時(shí)的T1、T2后，即可將鋁圓柱樣品移去，將插在鋁圓柱體“上小孔”或“下小孔”中的溫度傳感器取出，改插入散熱盤P小孔中進(jìn)行測量。而使發(fā)熱盤 A 的底面與散熱銅盤P直接接觸。當(dāng)P盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時(shí)的T2值若干攝氏度（例如5左右）后，再將發(fā)熱盤 A 移開，讓散熱銅盤P自然冷卻。測量散熱盤的溫度T3隨時(shí)間 t 的變化關(guān)系，每隔30秒記錄一次溫度T3，直至溫度到T2之下若干攝氏度為止。根據(jù)測量

18、值可以計(jì)算出P盤散熱速率。此時(shí)散熱盤P 的溫度為T3值。因此，測量P盤的冷卻速率為 由此得到導(dǎo)熱系數(shù)為 （6）如果還要測量另一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可打開軸流式風(fēng)扇，待散熱盤P的溫度接近室溫后再關(guān)上風(fēng)扇。接下來重復(fù)步驟25即可。43.數(shù)據(jù)記錄及處理1、銅的比熱容 c=393J/(kg·)散熱盤P：質(zhì)量m=658 g 半徑RP=4.926cm12345DPcm9.8519.8559.8529.8509.852Hpcm0.9920.9900.9910.9930.992鋁圓柱：半徑RAl=DAl=1.502cm12345DAlcm3.0033.0023.0043.0053.005hAlcm5.

19、8845.8855.8845.8845.883 穩(wěn)態(tài)時(shí)T1、T2的值， T1= 89.7 T2= 75.712345T189.789.689.789.989.8T275.575.577.777.677.8散熱速率：時(shí)間s0306090120150180210T3/75.169.063.959.555.852.850.047.7 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并求出相對誤差。0.09847E=7.1%4.測量誤差的主要來源及測量結(jié)果的影響要素利用穩(wěn)態(tài)下的熱傳導(dǎo)規(guī)律，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)驗(yàn)上可以測出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。但從進(jìn)一步的理論分析、實(shí)際測量過程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，引起實(shí)驗(yàn)

20、誤差的因素有很多，除了測量儀器的系統(tǒng)誤差、穩(wěn)態(tài)的控制和判斷、溫度測量時(shí)的隨機(jī)誤差以及外界環(huán)境的影響外，誤差的主要來源與以下幾個(gè)因素有關(guān)。(1)穩(wěn)態(tài)下待測樣品盤側(cè)面散熱的影響 穩(wěn)態(tài)下傳熱，加熱盤溫度和散熱盤溫度恒定，待測樣品盤的傳熱速率與下銅盤的散熱速率相同相同。測量中，待測材料應(yīng)各向同性或在垂直于傳熱截面S的方向具有相同物性，并且待測樣品盤側(cè)面絕熱或使樣品厚度h較小，忽略側(cè)面散熱的影響，上述修正公式才能成立。但“h較小”的度很難把握，并且沒有參考資料明確表示，因此樣品盤的側(cè)面散熱導(dǎo)致其傳熱速率大于散熱盤的散熱速率。5(2用散熱盤自然冷卻的散熱速率代替穩(wěn)態(tài)下散熱速率的影響 散熱盤自然冷卻時(shí)的散熱

21、速率與其在穩(wěn)態(tài)下的散熱速率的相等。穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)中，散熱盤自然冷卻速率的測量對于導(dǎo)熱系數(shù)的測量結(jié)果有很大的影響。其原因在于兩者散熱規(guī)律的不同。穩(wěn)態(tài)時(shí)的散熱速率在一定條件下可以認(rèn)為恒定的，而自然冷卻規(guī)律實(shí)際上并不是呈線性的。因此，散熱盤自然冷卻速率與其在穩(wěn)態(tài)下的散熱速率并不是相等，而是近似的相等。研究分析兩個(gè)散熱速率的關(guān)系，使其近似相等是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對準(zhǔn)確的前提，對數(shù)據(jù)的測量方法、數(shù)據(jù)處理方法的選擇以及智能化測量儀器的使用具有重要的理論依據(jù)。5 (3)數(shù)據(jù)測量、選擇以及處理方式帶來的影響 穩(wěn)態(tài)下的散熱速率無法直接測出，實(shí)驗(yàn)中采用的是自然冷卻時(shí)的散熱速率代替穩(wěn)態(tài)下的散熱速率。其方法法是，先讓

22、散熱盤溫度上升若干，再讓其自然冷卻，間隔相同時(shí)間(30s)記錄下散熱盤的溫度，當(dāng)其溫度下降到T2以下后，再記錄若干數(shù)據(jù)，通過得到的數(shù)據(jù)即可描繪出冷卻規(guī)律，進(jìn)而求得穩(wěn)態(tài)溫度T2下的散熱速率。溫度隨時(shí)間的冷卻規(guī)律并非線性關(guān)系，因此，數(shù)據(jù)的測量和選擇，直接影響到兩個(gè)速率的近似相等程度。另外，時(shí)間間隔的設(shè)定也是數(shù)據(jù)測量時(shí)的重要影響因素，時(shí)間間隔太小，溫度變化不明顯; 時(shí)間間隔太大，則沒有足夠多的數(shù)據(jù)用來計(jì)算其導(dǎo)熱系數(shù)。5.注意事項(xiàng)1集成溫度傳感器插入發(fā)熱盤A和散熱銅盤P側(cè)面的小孔時(shí)應(yīng)在溫度傳感器頭部涂上導(dǎo)熱硅脂，并插到孔洞底部，避免因傳感器接觸不良，造成溫度測量不準(zhǔn)。 2實(shí)驗(yàn)中，抽出被測樣品

23、時(shí)，應(yīng)先旋松加熱圓筒上端的固定螺釘。樣品取出后，小心將加熱圓筒降下，使發(fā)熱盤A與散熱銅盤P接觸，重新擰緊固定螺釘。 3實(shí)驗(yàn)操作過程中要戴上防熱手套，注意防止高溫燙傷。 4實(shí)驗(yàn)前，要標(biāo)定一下兩測溫傳感器的讀數(shù)，若不一致，要進(jìn)行修正。 5用穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，要使溫度穩(wěn)定下來，約要40分鐘左右。待T2的數(shù)值在數(shù)分鐘內(nèi)不變時(shí)，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。6.結(jié)論本實(shí)驗(yàn)采用TC-B3型穩(wěn)態(tài)法測量物體的導(dǎo)熱系數(shù)。該方法克服了熱電偶測溫方法的不足，采用數(shù)字溫度傳感器測溫和控溫技術(shù)測量，使實(shí)驗(yàn)誤差減少，而實(shí)驗(yàn)操作變得更直觀、方便。與傳統(tǒng)電偶測溫法比較之下，運(yùn)用TC-B3型穩(wěn)態(tài)法測量精度較高。但是，想要得到更為

24、精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就必須要熟練掌握TC-B3型穩(wěn)態(tài)法固體導(dǎo)熱系數(shù)測量儀操作方法，并且掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法及其修正。與傳統(tǒng)法相比，穩(wěn)態(tài)法在操作上更加簡便，讀數(shù)較精確，測量精度還好。參考文獻(xiàn)：1侯瑞寧，羅道斌，王虹.穩(wěn)態(tài)法測導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法J.廣西物理,2009,30(2);45-47.2蔣志年,光偉,景良.導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測量J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2011(11). 3張琳,宋賢征.導(dǎo)熱系數(shù)測定過程中下銅板散熱速率的理論計(jì)算J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2008,21(4):45-48.4李志，徐崇.不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2007,20(4);63-65.5吳同成. 穩(wěn)態(tài)法測量不良

25、導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)原理的修正J.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) .2009,2(4).安徽師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告書題目良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定研究學(xué)生姓名王雪佳學(xué) 號120801035指導(dǎo)教師金偉學(xué) 院物理與電子信息學(xué)院專 業(yè)物理學(xué)職稱副教授選題的意義：導(dǎo)熱系數(shù)表征著物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是反映材料傳熱性能的重要物理量，是衡量材料熱物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，對于材料的使用在理論研究和工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用方面具有重要意義。它與材料的組成結(jié)構(gòu)、容重、溫度等因素有關(guān)。基于此，對導(dǎo)熱系數(shù)的測量一直是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，但由于實(shí)驗(yàn)的測量原理的不理想，以及裝置本身設(shè)計(jì)的不足,導(dǎo)致測量結(jié)果與材料導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。因此如何提高實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確度，減少不必要的實(shí)驗(yàn)誤差，在大學(xué)物理對導(dǎo)熱系數(shù)的測定研究中具有重要的實(shí)用意義。研究狀況：迄今為止，測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法很多，按照測試狀態(tài)分類，可分為穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法；按照被測試樣的形狀與種類，導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法可分為平板法、棒狀試樣法、圓筒形法、圓球法等。在過去的幾十年里，又發(fā)展了大量的新的測試方法與系統(tǒng)，然而對于一定的應(yīng)用場合來說并非所有方法都能適用。采用何種測試方法或儀器裝置，往往要從材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍、樣品可能做成的幾何形狀、數(shù)據(jù)所需的精確度、測量周期及所需費(fèi)用等一系列因素綜合考慮后確定。主要內(nèi)容：通過穩(wěn)態(tài)法測量