1、本科實驗報告（閱）實驗名稱:非良導體熱導率的測量實驗11 非良導體熱導率的測量【實驗目的和要求】1.學習熱學實驗的基本知識和技能。2.學習測量非良導體熱導率的基本原理的方法。3.通過做物體冷卻曲線和求平衡溫度下物體的冷卻速度，加深對數據圖事法的理解。【實驗原理】 熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分，這種現象叫做熱傳遞。熱傳遞的方式有三種：傳導，對流和輻射。 設有一厚度為l、底面積為So的薄圓板，上下兩底面的溫度T1，T2不相等，且T1T2，則有熱量自上底面傳鄉下底面（見圖1），其熱量可以表示為dQ dT=-SodTdl (1) 圖1 測量樣品式中，dQdT=

2、為熱流量，代表單位時間里流過薄圓板的熱量；dTdl為薄圓板內熱流方向上的溫度梯度，式中的負號表示熱流方向與溫度梯度的方向相反；為待測薄圓板的熱導率。 如果能保持上下兩底面的溫度不變（穩恒態）和傳熱面均勻，則dtdl=TL=T2-T1l，于是=dQdT=-SoT2-T1dl (2)得到 =-So(T2-T1)l關鍵1.使待測薄圓板中的熱傳導過程保持為穩恒態。2.測出穩恒態時的。1 建立穩恒態 為了實現穩恒態，在試驗中將待測薄圓板B置于兩個直徑與B相同的鋁圓柱A,C之間，且緊密接觸，（見圖2）。 圖二 測量裝置C內有加熱用的電阻絲和用作溫度傳感器的熱敏電阻，前者被用來做熱源。首先，可由EH-3數字

3、化熱學實驗儀將C內的電阻絲加熱，并將其溫度穩定在設定的數值上。B的熱導率盡管很小，但并不為零，固有熱量通過B傳遞給A，使A的溫度TA逐漸升高。當TA高于周圍空氣的溫度時，A將向四周空氣中散發熱量。由于C的溫度恒定，隨著A的溫度升高，一方面通過C通過B流向A的熱流速率不斷減小，另一方面A向周圍空氣中散熱的速率則不斷增加。當單位時間內A 從B獲得的熱量等于它向周圍空氣中散發的熱量時，A的溫度就穩定不變了。 2.測量穩恒態時的 因為流過B的熱流速率就是A從B獲的熱量的速率，而穩恒態時流入A的熱流速率與它散發的熱流速率相等，所以，可以通過測A在穩恒態時散熱的熱流速率來測。當A單獨存在時，它在穩恒溫度下

4、向周圍空氣中散熱的速率為自=dQdT=cm(dTAdt)=cmn （3） 式中，c為A的比熱容；m為A的質量；n=dTAdtT=T2成為在穩恒溫度T2時的冷卻速度。 A的冷卻速度可通過做冷卻曲線的方法求得。具體測法是：當A、C已達穩恒態后，記下他們各自的穩恒溫度T2,T1后，再斷電并將B移開。使A，C接觸數秒鐘，將A 的溫度上升到比T2高至某一個溫度，再移開C，任A自然冷卻，當TA降到比T2約高To（）時開始計時讀數。以后每隔一分鐘測一次TA,直到TA低于T2約To（）時止。測的數據后，以時間t為橫坐標，以TA為縱坐標做A的冷卻曲線，過曲線上縱坐標為T2的點做此曲線的切線，則斜率就是A在TA的

5、自然冷卻速度，即n=dTAdtT=T2=Ta-Tbta-tb （4）于是有 自=cmTa-Tbta-tb（5） 但要注意，A自然冷卻時所測出的自與試驗中穩恒態時A散熱是的熱流速率是不同的。因為A在自然冷卻時，它的所有外表面都暴漏在空氣中，都可以散熱，而在實驗中的穩恒態時，A的上表面是與B接觸的，故上表面是不散熱的。由傳熱定律：物體因空氣對流而散熱的熱流速率與物體暴露空氣中的表面積成正比。設A的上下底面直徑為d，高為h，則有=自(d+4h2d+4h)=cmn(d+4h2d+4h) （6）將（6）帶入（2）式即得=dQdT=-SoT2-T1dl=-SoT2-T1l=2cml(d+4h)d2(2d+

6、4h)(nT2-T1) （7）【實驗儀器】1EH-3型數字化熱學實驗儀 圖3. EH-3型數字化熱學實驗儀 圖4. EH-3型數字化熱學實驗儀2.測導熱率的實驗裝置加熱盤、待測樣品橡膠盤、散熱鋁盤游標卡尺量程： 0125 mm分度值： 0.02 mm 表1 實驗儀器【實驗內容】（1）建立穩恒態如圖3、圖4所實驗裝置，連接好電纜線，打開電源開關，“測量選擇”開關旋至“設定溫度”檔，調節“設定溫度粗選”和“設定溫度細選”鈕，選擇設定C盤加熱為所需的溫度（如80）值。將“測量選擇”開關撥向“上盤溫度”檔，打開加熱開關，觀察C盤溫度的變化，直至C盤穩定恒定在設定溫度（如80）。再將“測量選擇開關撥向“

7、下盤溫度”檔，觀察A的溫度變化，若每分鐘的變化 T0.1，則可認為達到穩恒態。記下此時的A和C的溫度T和T。時間測量：按動“啟動”鈕一下，即開始計時；再按動“啟動”鈕一下即暫停計時；按動“復位”鈕，即歸零。（2）測A盤在T時的自然冷卻速度 在讀取穩態時的T和T之后，拿走樣品B，讓A盤直接與加熱盤C底部的下表面接觸，加熱鋁盤A，使A盤溫度上升到比T高3左右，再移去加熱盤C，關閉加熱開關，“測量選擇”開關撥向“下盤溫度”檔，讓鋁盤A通過外表面直接向環境散熱（自然冷卻），每隔一分鐘記下相應的溫度值，作出A的冷卻曲線，求出A盤在T附近的冷卻速率。（3）用游標卡尺測出待測板A的直徑2R和厚度，記下A盤的

8、質量m。（4）根據式（7）出待測材料的導熱系數。【實驗數據及誤差分析】A T2=51.58B T1=57.27To=3A在T2時的冷卻曲線數據t/min012345678910T/51.58+554.0153.2652.4751.7251.0450.3549.6648.0148.3551.58-5-0.83表2 圖 5由圖得 n=-0.83穩恒態時T1,T2數據123456T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27T1-T25.675.685.705.715.705.70 表3 S=的不確定度：=0.0157

9、9（）所以： T1-T2=5.690.02（）薄圓板A的直徑D與厚度的數據lmm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表4表徑D S=的A類不確定度：=0.1112（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： D=99.560.11（mm）=0.099560.00011(M)厚度hS=的A類不確定度：=0.1759（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=2.340.18（mm）=0.012340.00018(M)厚度lS=的

10、A類不確定度：=0.0197（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=9.350.03（mm）=0.00940.0004(M)另外mA =0.26kg,c=0.89kj/kg，為單次測量，不考慮A類不確定度計算薄圓板的導熱率=2.51×10-2W/mK對應的誤差傳遞公式為：0.04514.51%W/mK最終測得待測材料的導熱系數=（2.6±0.2）×10-2W/mK【注意事項】 待測平板上、下平面的溫度、是用加熱圓盤C的底部和散熱鋁盤A的溫度來代表，必須保證樣品與圓盤C的底部和散熱鋁盤A的上表面密切接觸。 要根據實驗時的具體情況，調整設定溫度。一般設定溫度在60到70之間。 撤去樣品盤后，若散熱盤的溫度上升不到或溫度上升太慢，可適當增加設定溫度(如)，但最好等到散熱盤溫度基本不變后，再移去加熱盤。 防止燙傷！【分析思考】1 什么叫穩態導熱？如何判定實驗達到了穩定導熱狀態？答穩態導熱”全稱“穩定狀態導熱”，亦稱“穩定導熱”。物體內各點的溫度不隨時間而變化的導熱過程。穩態時，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩定值。實驗中根據樣品上下表面的溫度（即加熱盤和散熱盤的溫度）連續10min內保持不變，判斷實驗達到了穩定導熱狀態。 2 什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者在穩態測量時有什么內在聯系？答：傳