不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定

1、.不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定專業(yè)年級：油氣儲運(yùn)04 級 4 班指導(dǎo)教師：姚勇學(xué)生姓名（學(xué)號） ： 李超云（ 04012408） 許惠敏（ 04012401）一、實驗?zāi)康?、掌握穩(wěn)態(tài)法測不良導(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)行溫度測量的方法二、實驗原理當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時，就會有熱量從溫度較高處傳向較低處，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(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（單位時間內(nèi)ddt通過截在積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)， 可見導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義： 在溫度梯度為一個單位的情況下， 單位時間內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。利用（2.3-1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需解決兩個關(guān)鍵的問題： 一個是如何在材料內(nèi)造成一個溫度梯度dT 并確定其數(shù)值； 另一個是如何測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，可以認(rèn)為熱測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， 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縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱h阻，使得溫度梯度測量不準(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 散熱盤的冷卻曲線圖為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，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單位時間內(nèi)通過某一截面積的熱量dQ 是一個無法直接測定的量， 我們設(shè)法將這個量轉(zhuǎn)dt化為較為容易測量的量。為了維持一個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圍環(huán)境散出。 當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時， 系統(tǒng)就達(dá)到一個動態(tài)平衡， 稱之為穩(wěn)態(tài)， 此時低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品

5、內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度也就間接測量出了樣品內(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)號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質(zhì)量容易直接測量，C 為常量， 這樣對銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)銅板冷卻速率的測量。銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后， 移去樣品，用加熱銅板直接對下銅板加熱，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，測出溫度在大于T 2

6、 到小于 T 2 區(qū)間中隨時間的變化關(guān)系，描繪出 T t 曲線（見圖 2.3-2），曲線在 T2 處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時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）然而在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，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，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）式中的各項均為常量或直接易測量。本實驗選用銅一康銅熱電偶測溫度，溫差為100時，其溫差電動勢約為 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，熱電偶的溫差電動勢 （ mV ）與待測溫度 T（）的比值是一個常數(shù)。因此，在用（2.3-4 ）公式計算時，也可以直接用電動勢代表溫度T。三、實驗儀器YBF 2 型導(dǎo)熱

8、系數(shù)測試儀，杜瓦瓶，測試樣品（硬鋁、橡皮）、塞尺、游標(biāo)卡尺、天平。2 / 4.四、實驗內(nèi)容及要求1、用游標(biāo)卡尺、天平測量樣品、下銅盤的幾何尺寸和質(zhì)量，多次測量取平均值。2、先放置好待測樣品及下銅盤（散熱盤） ，調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上、下銅盤接觸良好。安置圓筒、圓盤時須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶在同一側(cè)。熱電偶插入銅盤上的小孔時， 要抹些硅脂， 并插到洞孔底部， 使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好，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，這就要等待較長時間，為了提高效率，可先將電源電壓打到“高”檔，幾分鐘后1即可將開關(guān)撥到“低”檔，通過調(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)時與 1212值。，對應(yīng)的 T ，T4、移去樣品，繼續(xù)對下銅盤加熱，當(dāng)下銅盤溫度比T 2 高出 10左右時，移去圓筒，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅盤自然冷卻，每隔30 秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直到溫度下降到T 2 以下一定值。作銅盤的T t 冷卻速率曲線，選取鄰近T 2 的測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。5、根據(jù)（ 2.3-4）式計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、數(shù)據(jù)記錄：

10、實驗室已知數(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：直徑 d=12.95 cm厚度 h=0.83 cm實驗測量數(shù)據(jù)：（1）數(shù)據(jù)記錄時間間隔為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因為散熱的速率dT 成一次線形關(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，