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1、关于不良导体的导热系数的测定现在学习的是第1页，共23页 导热系数又称热导率，是表征物质热传导性质的物导热系数又称热导率，是表征物质热传导性质的物理量，理量，测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。实验中都有非常重要的应用。 良导体良导体:导热系数大、导热性能好的材料导热系数大、导热性能好的材料不良导体不良导体:导热系数小、导热性能差的材料导热系数小、导热性能差的材料橡胶为橡胶为0.22 W.m-1.K-1 约为不良导体的约为不良
2、导体的102103倍，例如铜为倍，例如铜为4.0102 W.m-1.K-1 现在学习的是第2页，共23页 一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程技术中验和工程技术中对材料的导热系数常用实验的方法测定对材料的导热系数常用实验的方法测定。测量
3、导热系数的方法大体上测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。可分为稳态法和动态法两类。本本实验采用稳态法实验采用稳态法测量不良导体的导热系数。测量不良导体的导热系数。现在学习的是第3页，共23页【 实实 验验 目目 的的 】 1. 学习一种测量不良导体导热系数的方法学习一种测量不良导体导热系数的方法-稳态法稳态法；体会绕过不便测量的量（体会绕过不便测量的量（使用参量转换法使用参量转换法）的设计思）的设计思想。想。2. 学会用学会用最小二乘法最小二乘法求散热速率。求散热速率。现在学习的是第4页，共23页【 实实 验验 仪仪 器器 】 游标卡尺（游标卡尺（0150mm，游游 =0.02m
4、m）、）、MCTH20型不良导体系数实验仪型不良导体系数实验仪(散热盘质量散热盘质量m=1gm=1g，温度，温度T T =0.01=0.01)现在学习的是第5页，共23页加热加热后后【 实实 验验 原原 理理 】 傅里叶热传导方程傅里叶热传导方程ST1T2h图图 2.5-1 均匀圆柱体均匀圆柱体12TT忽略导体的侧面无热量散失，忽略导体的侧面无热量散失，相同的相同的时间内流过各截面的热量必然相等，时间内流过各截面的热量必然相等，这时这时整个导体呈动态热稳定状态整个导体呈动态热稳定状态。12TTQSth导热系数导热系数传热速率传热速率现在学习的是第6页，共23页用稳态法间接测量样品的导热系数原理
5、用稳态法间接测量样品的导热系数原理图图2.5-2 样品热传导样品热传导稳态时：稳态时：样品任一横截圆面的传热样品任一横截圆面的传热速率速率（不计样品盘的向空气散发热（不计样品盘的向空气散发热量）及量）及等于散热盘的散热速率，等于散热盘的散热速率，样品样品 上下表面分别维持在稳定温度上下表面分别维持在稳定温度 。22121212()144BBBBBTTTTDTTQSDthhh(2.5.2)样品任一横截圆面的传热速率为样品任一横截圆面的传热速率为12TT、现在学习的是第7页，共23页散热盘在温度散热盘在温度 时的散热速率由下式给出时的散热速率由下式给出dQdTcmdtdt 其中，其中，c为散热盘铜
6、盘材料的比热容，为散热盘铜盘材料的比热容， 为散热盘的质为散热盘的质量，量， 表示散热盘在温度表示散热盘在温度 冷却速率。冷却速率。23.85 10c J /(kg K)mdTdt散热盘在稳定温度散热盘在稳定温度 附近时的散热速率为附近时的散热速率为 T2T2TQTcmtt (2.5.3)T现在学习的是第8页，共23页系统传热达到一种稳定状态时，联立式系统传热达到一种稳定状态时，联立式2.5.2和式和式2.5.3，得，得22124()BT TBcmhTDTTt 由上式可知，关键是求散热盘在稳态温度由上式可知，关键是求散热盘在稳态温度T2附近时的冷却速附近时的冷却速率率 ，由式，由式2.5.5可
7、得样品的导热系数可得样品的导热系数 。tT （2.5.5）测量冷却速率测量冷却速率 的方法：的方法：自然冷却法自然冷却法tT 现在学习的是第9页，共23页考虑到冷却速率还与散热面积成正比考虑到冷却速率还与散热面积成正比， 2.5.5式应乘以式应乘以面积因子进行修正，面积因子进行修正，导热系数导热系数有有22124PpBT TPpBD4hcmhT2D4hD (TT )t （2.5.6）其中其中 为下铜盘半径，为下铜盘半径，hp为下铜盘厚为下铜盘厚度度PD现在学习的是第10页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】 1 用游标卡尺分别测出样品盘（橡胶盘）和散热盘的直径用游标卡尺分别测出样品盘（橡胶
8、盘）和散热盘的直径 、 与厚度与厚度 、 各测各测6次，然后取平均值。数据记录见次，然后取平均值。数据记录见表格表格2.5.1。BDPDBhPh接主机后面板电源输出样品下铜板上铜板加热不良导体导热系数实验仪+-+-T1T2QuitEnter加热开关温度测量输入MCTH202 按下图所示连接实验装置按下图所示连接实验装置。现在学习的是第11页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】图图2.5-4 开机后开机后LCD显示显示 图图2.5-5 热平衡过程热平衡过程LCD显示显示3 打开主机背部电源开关，进入热平衡，打开加热开关，打开主机背部电源开关，进入热平衡，打开加热开关，当当T2的数值在的数值在
9、10分钟之内几乎不变化，便可以视为达到热分钟之内几乎不变化，便可以视为达到热平衡。记录热平衡时两盘的温度平衡。记录热平衡时两盘的温度T1、T2。现在学习的是第12页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】4 热平衡后，关闭加热开关，按热平衡后，关闭加热开关，按“QUIT”键退出，键退出，将样品从铜将样品从铜板中间取出板中间取出，让上铜盘贴近下铜盘，然后进入，让上铜盘贴近下铜盘，然后进入“再升温再升温”选项直接选项直接加热下铜盘（打开加热开关），当加热下铜盘（打开加热开关），当T2高于下铜盘平衡温度高于下铜盘平衡温度10度度后，显示后，显示“OK”。如图。如图2.5-6所示，箭头对应温度为下铜盘
10、平衡所示，箭头对应温度为下铜盘平衡温度。温度。图图2.5-6 再加热过程再加热过程LCD显示显示现在学习的是第13页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】5 按按“QUIT”键退出，关闭加热开关，取走上铜盘，键退出，关闭加热开关，取走上铜盘，进入进入“冷却冷却”选项，让下铜盘自然冷却，当选项，让下铜盘自然冷却，当T2低于下铜盘平低于下铜盘平衡温度衡温度10度后，显示度后，显示“OK”，如图，如图2.5-7所示。所示。图图2.5-7 冷却过程冷却过程LCD显示显示现在学习的是第14页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】6 “列表列表”：分别查看三个实验过程的数据，按上下键：分别查看三个实验
11、过程的数据，按上下键翻页。翻页。“曲线曲线”：分别回放三个实验过程采集的：分别回放三个实验过程采集的T-t曲线曲线，并显示平衡时上下温度。，并显示平衡时上下温度。7 在在 值临近处上下各取三个温度值，用值临近处上下各取三个温度值，用最小二乘法最小二乘法求出铜盘的冷却速率求出铜盘的冷却速率 ，并计算样品的导，并计算样品的导热系数热系数 。2T2T TTt（）现在学习的是第15页，共23页热平衡时，加热盘温度热平衡时，加热盘温度 散热盘温度散热盘温度 冷却过程中，数据记录如下：冷却过程中，数据记录如下：(s) ()1T 2T it15t 10t 5t t5t 10t 15t 2TTiT2T表表2.
12、5.2 平衡温度以及冷却时时间、温度记录平衡温度以及冷却时时间、温度记录现在学习的是第16页，共23页1y2y3yny1x2x3xnx表表2.2 2.2 等精度数据等精度数据niixxnniiyyn()niiixyx yn22niixxn现在学习的是第17页，共23页【 实实 验验 内内 容容 】8 计算样品的导热系数实验最佳值计算样品的导热系数实验最佳值22124PpBT TPpBR2hcmhT2R2hR (TT )t 样品在样品在273K时导热系数的参考值时导热系数的参考值)Km/(W40.100任意温度下的标准值任意温度下的标准值3/20273T我们按室温我们按室温 计算标准值，并和平均
13、值比较计算标准值，并和平均值比较计算出计算出相对误差。相对误差。T300K现在学习的是第18页，共23页100%E相对误差相对误差 注：上式中注：上式中 为样品在为样品在300K时导热系数时导热系数 为实验计算的最佳值为实验计算的最佳值 现在学习的是第19页，共23页【 注注 意意 事事 项项 】 1. 在测试散热盘的散热速率时，在测试散热盘的散热速率时，取走样品之前，一定要先关掉取走样品之前，一定要先关掉电源，电源，然后再让加热盘与散热盘接触，同时然后再让加热盘与散热盘接触，同时绝不能用手去碰触绝不能用手去碰触加热盘与散热盘。加热盘与散热盘。小心操作！注意安全，避免烫伤。小心操作！注意安全，
14、避免烫伤。2. 实验结束实验结束后，后，切断电源切断电源，保管好测量样品。，保管好测量样品。不要使样品两不要使样品两端划伤端划伤，以免影响实验的精度。，以免影响实验的精度。现在学习的是第20页，共23页1 什么叫稳态导热？如何判定实验达到了稳定导热状态？什么叫稳态导热？如何判定实验达到了稳定导热状态？2 什么是传热速率、散热速率、冷却速率？这三者在稳态什么是传热速率、散热速率、冷却速率？这三者在稳态测量时有什么内在联系？测量时有什么内在联系？【分分 析析 思思 考考】现在学习的是第21页，共23页1. 稳态稳态导热导热”全称全称“稳定状态导热稳定状态导热”，亦称，亦称“稳定导热稳定导热”。物。
15、物体内各点的温度不随时间而变化的导热过程。体内各点的温度不随时间而变化的导热过程。 稳态时，加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根据样品稳态时，加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根据样品上下表面的温度（即加热盘和散热盘的温度）连续上下表面的温度（即加热盘和散热盘的温度）连续10min内保持不内保持不变，判断实验达到了稳定导热状态。变，判断实验达到了稳定导热状态。 2. 传热速率：单位时间内通过物体横截面的热量；传热速率：单位时间内通过物体横截面的热量； 散热速率：物体单位时间内散失散热速率：物体单位时间内散失 的热量；的热量； 冷却速率：单位时间内物体温度的减少量。冷却速率：单位时间内物体温度的减少量。 三者之间的联系：根据热传导定律测量导热系数需要测量三者之间的联系：根据热传导定律测量导热系数需要测量传热速率，但是传热速率难于直接测量。稳态法测量导热系传热速率，但是传热速率难于直接测量。稳态法测量导热系数就是根据稳态时传热速率等于散热速率，通过测量散热速数就是根据稳态时传热速率等于散热速率，通过测量散热速率得到传热速率。而散热速率是通过测量在稳态时散热盘的率得到传热速率。而散热速率是通过测量在稳态时散热盘的冷却速率求得的。冷却速率求得的。【思考题思考题 答答 案案】现在学习的是第22页，共23页2022-8-18感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第23页，共23页