不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

1、.不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定專(zhuān)業(yè)年級(jí)：油氣儲(chǔ)運(yùn)04 級(jí) 4 班指導(dǎo)教師：姚勇學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)） ： 李超云（ 04012408） 許惠敏（ 04012401）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法2、了解物體散熱速率與傳熱速率的關(guān)系3、學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率4、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測(cè)量的方法二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳向較低處，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z 方向傳導(dǎo)，那么在Z 軸上任一位置Z o 處取一個(gè)垂直截面積dS，以 dT 表示在 Z 處的溫度梯度，以dQ 表示該處的傳熱速度（單位時(shí)間內(nèi)ddt通過(guò)截在積dS 的熱

2、量），那么熱傳導(dǎo)定律可表示成：dQ=（ dT ）Z o dS· dt（ 2.3-1）dZ式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo) （即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反） ，比例數(shù)即為導(dǎo)熱系數(shù)， 可見(jiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義： 在溫度梯度為一個(gè)單位的情況下， 單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積截面的熱量。利用（2.3-1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題： 一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度dT 并確定其數(shù)值； 另一個(gè)是如何測(cè)dQ 。d量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率dtdT1、關(guān)于溫度梯度d為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體 銅板之間， 如圖

3、 2.3-1，使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T和 T ，就可能在垂直于樣品12表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小于樣品直徑（h D ），由于樣品側(cè)積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱測(cè)定量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體， 在達(dá)到平衡時(shí)， 可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同 平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度h 和兩塊銅板的溫度T1、 T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度 T1T2 。當(dāng)然這需要銅板與樣品表面緊密接觸無(wú)縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱h阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。T（ 0C）T21K

4、= TtT 2T22t（ s）t1t21 / 4T 2 下散熱的速率，還需要進(jìn)一步作.圖 2.3-1傳熱示意圖圖 2.3-2 散熱盤(pán)的冷卻曲線(xiàn)圖為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱(chēng)性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。dQ2、關(guān)于傳熱速率dt單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面積的熱量dQ 是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量， 我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)dt化為較為容易測(cè)量的量。為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過(guò)樣品傳到低溫側(cè)銅板， 低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周?chē)h(huán)境散出。 當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)， 系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡， 稱(chēng)之為穩(wěn)態(tài)， 此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品

5、內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，參量轉(zhuǎn)換，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）dQT2mc dTdtdt T2dTdt有關(guān)，其表達(dá)式為（2.3-2）式中的 m 為銅板的質(zhì)量，C 為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測(cè)量，C 為常量， 這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率的測(cè)量。銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后， 移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)下銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2（大約高出 10左右），再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于 T 2，測(cè)出溫度在大于T 2

6、 到小于 T 2 區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出 T t 曲線(xiàn)（見(jiàn)圖 2.3-2），曲線(xiàn)在 T2 處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T 2 下的冷卻速率。dT 是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2 Rp2+2 Rphp（其中dtRp 和 hp 分別是下銅板的半徑和厚度）然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為 Rp2 ）是被樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：dQdTRP22 Rp hp= mc?（2.3-3）dtdt 2 RP22 Rphp根據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，并考慮到dS=

7、 R2，可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：2h pRp1?hdT（ 2.3-4） = mc2Rp?T1 T2?T T2hpR2dt2式中的 R 為樣品的半徑、 h 為樣品的高度、 m 為下銅板的質(zhì)量、 c 為銅的比熱容、 Rp和 hp 分別是下銅板的半徑和厚度。（ 2.3-4）式中的各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)選用銅一康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差為100時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約為 4.0mV 。由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為 0，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì) （ mV ）與待測(cè)溫度 T（）的比值是一個(gè)常數(shù)。因此，在用（2.3-4 ）公式計(jì)算時(shí)，也可以直接用電動(dòng)勢(shì)代表溫度T。三、實(shí)驗(yàn)儀器YBF 2 型導(dǎo)熱

8、系數(shù)測(cè)試儀，杜瓦瓶，測(cè)試樣品（硬鋁、橡皮）、塞尺、游標(biāo)卡尺、天平。2 / 4.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1、用游標(biāo)卡尺、天平測(cè)量樣品、下銅盤(pán)的幾何尺寸和質(zhì)量，多次測(cè)量取平均值。2、先放置好待測(cè)樣品及下銅盤(pán)（散熱盤(pán)） ，調(diào)節(jié)下圓盤(pán)托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上、下銅盤(pán)接觸良好。安置圓筒、圓盤(pán)時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶在同一側(cè)。熱電偶插入銅盤(pán)上的小孔時(shí)， 要抹些硅脂， 并插到洞孔底部， 使熱電偶測(cè)溫端與銅盤(pán)接觸良好，熱電偶冷端插在杜瓦瓶中的冰水混合物中。3、根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，必須得到穩(wěn)定的溫度分布，這就要等待較長(zhǎng)時(shí)間，為了提高效率，可先將電源電壓打到“高”檔，幾分鐘后1即可將開(kāi)關(guān)撥到“低”檔，通過(guò)調(diào)節(jié)

9、電=4.00mv熱板電壓“高” 、“低”及“斷”電檔，使1 讀數(shù)在± 0.03mv 范圍內(nèi)，同時(shí)每隔30秒讀 2的數(shù)值，如果在2 分鐘內(nèi)樣品下表面溫度2 示值不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)與 1212值。，對(duì)應(yīng)的 T ，T4、移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅盤(pán)加熱，當(dāng)下銅盤(pán)溫度比T 2 高出 10左右時(shí)，移去圓筒，讓下銅盤(pán)所有表面均暴露于空氣中，使下銅盤(pán)自然冷卻，每隔30 秒讀一次下銅盤(pán)的溫度示值并記錄，直到溫度下降到T 2 以下一定值。作銅盤(pán)的T t 冷卻速率曲線(xiàn)，選取鄰近T 2 的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率。5、根據(jù)（ 2.3-4）式計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、數(shù)據(jù)記錄：

10、實(shí)驗(yàn)室已知數(shù)據(jù)：銅板：質(zhì)量 m=843 g直徑 d=13.03 cm厚度 h=0.71 cm比熱容 C=0.09197Calg橡膠盤(pán)：直徑 d=12.95 cm厚度 h=0.83 cm實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)：（1）數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為180s次數(shù)12345678910平均值T1(mv)4.254.264.264.274.264.254.274.264.274.264.261T2(mv)2.982.982.992.992.993.013.013.013.013.012.998（2） 散熱速率時(shí)間 (s)306090120150180210240T (mv)2.952.912.862.822.782.742.702.6622、 數(shù)據(jù)處理：T1 =4.261mvT2 =2.998mv查表可知：T1 =（ 100+0） =100T2 =（ 70+2） =72因?yàn)樯岬乃俾蔰T 成一次線(xiàn)形關(guān)系，在圖上取符合圖解規(guī)定的兩點(diǎn)dtX (45， 2.93)，X2(225， 2.68)1所以散熱的速率為dT=（2.68-2.93 ） /（ 225-45） =（ 65-71） /180= 0.033dt代入公式：3 / 4.2hpRp?1?hdT= mc2RpR2?dtT T2h pT1 T22= 0.00287 w/(cm. )從有效數(shù)字位數(shù)可知，