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1、不良导体导热系数的测定不良导体导热系数的测定实验实验2样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？一、一、开篇设问开篇设问（一）（一）预备问题预备问题1 1样品的导热系数大小与温度有什么关系？样品的导热系数大小与温度有什么关系？（二）学生容易出错的问题（二）学生容易出错的问题 1测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度20附近选值？附近选值？（三）课后要思考的问题或扩展问题。（三）课后要思考的问题或扩展问题。1分析本实验中的主要误差来源？分析本实验中的主要误差来源？2个别仪器的温度计存在的测量误差（并且假定个别仪器的温度计
2、存在的测量误差（并且假定我们无法对温度计进行调整），这一误差会影响我们无法对温度计进行调整），这一误差会影响导热系数的测量精度，对此你有什么好的解决办导热系数的测量精度，对此你有什么好的解决办法吗？请提出你的方案。法吗？请提出你的方案。二、背景介绍二、背景介绍（一）导热系数及其稳态法测量（一）导热系数及其稳态法测量热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部作为
3、载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。热量传递的热量传递的三种途径三种途径：热传导、热对流、以及热辐射。：热传导、热对流、以及热辐射。导热性能较好的物体称为导热性能较好的物体称为良热导体良热导体，导热性能较差的物，导热性能较差的物体称为体称为不良热导体不良热导体。定量描述物体导热性能的物理量是定量描述物体导热性能的物理量是导热系数导热系数，一般说，一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系来，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
4、系数最小。数比液体的要大；气体的导热系数最小。导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。在科等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。其
5、测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类法精确测定。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。稳态法稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在稳定温度分布的条件下进行测量。非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良关。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。导体导热系数的方法。（二）实验目
6、的（二）实验目的1掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。2.了解物体散热速率和传热速率的关系。了解物体散热速率和传热速率的关系。（三）科学家简介（三）科学家简介傅傅里里叶叶（Jean Baptiste Joseph Fourier，17681830）,法国数学家、物理学家。1768年3月21日生于法国中部欧塞尔一个裁缝家庭，1830年5月16日卒于巴黎。9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁由一主教送入地方军事学校读书。17岁回乡教数学，1794到巴黎，成为高 等 师 范 学 校 的 首 批 学 员，次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任
7、军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长官。由于对热传导理论的贡献于1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论。图一图一 导热系数实验装置示意图导热系数实验装置示意图当如图一所示的系统达成热平衡时，通过待测样品的传热当如图一所示的系统达成热平衡时，通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同，即有率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同，即有三、实验原理三、实验原理（1（1）式（式（1）中）中10、20是传热稳定时的样品上下表面温度，是传热稳定时的样品上下表面
8、温度，是是样品的传热速率，样品的传热速率，是黄铜盘散热率是黄铜盘散热率。根据傅立叶的热传导定律，（根据傅立叶的热传导定律，（1）式左边可以写为：）式左边可以写为：（2）而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（1）式右边可以写为：式右边可以写为：（3）式式(3)中中m是散热黄铜的质量，是散热黄铜的质量，c是黄铜比热。是黄铜比热。这样，只要测出散热黄铜的冷却率这样，只要测出散热黄铜的冷却率 ，就可以联，就可以联立（立（1）、（）、（2）及（）及（3）式而得出导热系数）式而得出导热系数，但是，但是，当散热黄铜处在稳定系统之中时，其冷却率不方便测当散热黄铜处在稳
9、定系统之中时，其冷却率不方便测量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应的冷却率我们不妨记为的冷却率我们不妨记为 ，根据散热率也，根据散热率也即冷却率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系即冷却率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系式成立：式成立：于是我们可以进一步得出导热系数于是我们可以进一步得出导热系数的表示式为：的表示式为：（4）本实验在散热环节散热盘上面未覆盖样品，有些教本实验在散热环节散热盘上面未覆盖样品，有些教科书要求覆盖样品，所得公式与此不同。科书要求覆盖样品，所得公式与此不同。四、实验仪器四、实验仪器1THQDC-1型导热系数
10、测定仪。型导热系数测定仪。2游标卡尺。游标卡尺。3天平天平4镊子镊子THQDC-1型型导导热热系系数数测测定定仪仪（一）（一）实验仪器实验仪器（二）（二）注意事项。注意事项。1加热盘温度设定值不得高于加热盘温度设定值不得高于110，实验时应随时，实验时应随时观察加热盘温度变化。观察加热盘温度变化。2实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，以防烫伤。以防烫伤。3PID智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验时可以修改加热盘温度设定值时可以修改加热盘温度设定值SV，修改其它参数时应，修改其它参数时应谨慎，否则影
11、响控温效果。谨慎，否则影响控温效果。4实验过程中实验过程中Pt100金属部分不要裸露在外，且插金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测温精度。入深度要一致，否则影响测温精度。6测定仪面板上有测定仪面板上有0220V加热电源，连接和分开加热电源，连接和分开加热电源线时均应先关闭电源总开关，以防触电。加热电源线时均应先关闭电源总开关，以防触电。5实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。否则将影响控温效果。小心有电！小心有电！1 1、测量样品及散热铜盘的尺寸；、测量样品及散热铜盘的尺寸；五、实验内容五、实验内容 2、设置温
12、度参数，安装仪器，置放温度传感器；、设置温度参数，安装仪器，置放温度传感器；可以通过右边的三个可以通过右边的三个按键设置加热盘温度按键设置加热盘温度加热盘温度加热盘温度设定的温度设定的温度（一）基本实验内容和实验操作程序（一）基本实验内容和实验操作程序注意测温元件注意测温元件PT100的插的插法法3、打开加热开关加热，等待稳定状态到来；、打开加热开关加热，等待稳定状态到来；此过程需要耐心，等真正稳定了才进行测量，对此过程需要耐心，等真正稳定了才进行测量，对于所测温度存在小幅波动的情况，可在一段时间于所测温度存在小幅波动的情况，可在一段时间测量多组数据进行平均。测量多组数据进行平均。4 4、记录
13、达到稳定时，样品上下表面的温度；、记录达到稳定时，样品上下表面的温度；5 5、去掉样品后，让散热铜、去掉样品后，让散热铜盘在稳定温度盘在稳定温度 2020的基础上的基础上升温若干度，然后让其在空升温若干度，然后让其在空气中自然冷却，记录其温度气中自然冷却，记录其温度随时间降低的数据（每随时间降低的数据（每3030秒秒记录一次）。记录一次）。6 6、整理仪器。、整理仪器。（二）对实验数据处理的要求（二）对实验数据处理的要求1在散热盘温度随时间变化的数据中选择在散热盘温度随时间变化的数据中选择20附近附近10组组数据，用逐差法处理实验数据，计算散热盘冷却速率数据，用逐差法处理实验数据，计算散热盘冷
14、却速率，进而进而 利用（利用（4）式计算待测样品导热系数）式计算待测样品导热系数。2计算不确定度，并给出完整的结果表述。计算不确定度，并给出完整的结果表述。（三）扩展内容（三）扩展内容根据对误差来源的分析，提出对本实验改进的方案。根据对误差来源的分析，提出对本实验改进的方案。2、刘淑琴，用稳态法导热仪测定聚氨酯硬泡导热、刘淑琴，用稳态法导热仪测定聚氨酯硬泡导热系数，化学推进剂与高分子材料，系数，化学推进剂与高分子材料，1990年第年第4期，期，4143页。页。六、设计案例六、设计案例1、彭担任，稳态双平板法测定煤和岩石的导热系、彭担任，稳态双平板法测定煤和岩石的导热系数，江苏煤炭，数，江苏煤炭
15、，1993年第年第3期，期，2226页。页。七、最新进展七、最新进展（一）微细尺度传热学（一）微细尺度传热学随着科技的发展，人们对热传导的研究扩展到微细尺度（例如在对超大规模集成电路的热设计和热控制、航天器内生命保障系统的传热过程、生命过程中的热现象等的研究中），其研究对象的特征尺度与载热体（分子、电子、声子、光子）等的平均自由程处于同一量级甚至更低，导热的Fourier定律、流动的N-S方程已不在适用，微结构表面的辐射性质也出现奇特的变化，已经不能有效地用传统的传热传质理论及传统的实验方法加以解决，导致了热现象由宏观研究到微观研究的历史性转变，促使微尺度传热学这一学科的出现和形成。微尺度传热
16、学致力于尺度微形化极限情况的传热学规律研究：一个是空间尺度极限，其研究的几何尺度可以到微米或微毫米级；再一个是时间尺度极限，即在微妙以至微毫秒内瞬时传热规律的研究。（二）现代电子器件冷却方法（二）现代电子器件冷却方法随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小(例如，微处理器的特征尺寸在1990年到2000年内从0.35减小到0.18)，芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。芯片热流密度的不断升高则对电子器件热可靠性设计提出了更高的要求。能够解决电子器件过热问题的热设计早已引起国内外研究单位的高度重视，并且得到了很大的发展。经过近年来的研究，已研究出一些比较成熟的冷却方式，如自然冷却技术、强迫空气冷却技术、液体冷却技术、相变冷却技术、其他冷却技术(如热管，冷板等)。（更多内容请参看http:/ 1.贾玉润贾玉润 王公治王公治 凌佩玲，大学物理实验，复旦大凌佩玲，大学物理实验，复旦大学出版社，学出版社，171页。页。2.耿完桢耿完桢 马晶马晶 薛洪福薛洪福，大学物理实验（下册），大学物理实验（下册），哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社，4页。页。3.钟读敏，大学物理实验，中国科学技术大学出钟读敏，大学物理实验，中国科学技术大学出版社，版社，122页。页。