1、南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告课程名称： 大学物理实验 实验名称： 金属导热系数的测量 学院： 信息工程学院 专业班级： 自动化 153 班 学生姓名： 廖俊智 学号： 6101215073 实验地点： 基础实验大楼 座位号： 27 号 实验时间： 第七周星期四上午九点四十五开始 一、实验目的：用稳态法测定金属良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。二、实验原理：1、傅里叶热传导方程导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。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实验中都有非常重要的应用。如图（一）所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积
2、为 ，高为 。经加热后，上端温度为 ，下端Sh1T温度为 ， ，热量从上端流向下端。若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时2T12虽然各个截面的温度不等，但相同的时间内流过各截面的热量必然相等（设侧面无热量散失），这时热传递达到动态平衡，整个导体呈热稳定状态。法国数学家，物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程（1）12TQSth是 时间内流过导体截面的热量， 叫传热速率。比例系数 就是材料的导热系数（热导率）Qt t ，单位是 。在此式中， 、 和 、 容易测得，关()wmKA瓦 米 开 Sh1T2键是如何测得传热速率 。Qt2、用稳态法间接测量传热速率如图二所示，将待测样品夹
3、在加热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，加热盘的传热速率为 （2）221211()44TTdTQSdthhh为样品的直径， 为样品的厚度。dh散热盘的散热速率为（3）2TQCmtt为散热盘材料的比热， 为散热盘的质量， 表示散热盘在温度是 时的冷却速率。C 2Tt2T（2）、（3）两式右边相等：，2212()4TdTCmht（4）22124()ThdtA（4）式表明，无需直接测量传热速率 ，但必须测量散热盘在稳态温度 时的冷却速率 ，Qt2TTt测量冷却速率的方法是，在读取稳态温度 、 后。将样品盘抽走，用加热盘与散热盘直接接触，给1T2散热盘加热，使散热盘的温度升高到高于
4、 的某个适当值；然后再移开加热盘，让散热盘在空气中作自然冷却，每隔一定的时间测一次温度值，即可求出在 附近的冷却速率 。但必须注意的是，散2TTt热盘在稳态时的冷却上表面是被样品覆盖着的，只有下表面和侧面散热，现在自然冷却所有的表面都是暴露的。考虑到冷却速率还与散热面积成正比，根据本实验使用的散热盘的尺寸。3、用温差电偶将温度测量转化为电压测量如图三所示，把两种不同的金属丝彼此熔接，组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度 和 下，则会产生温差电动势，回路中有电流。如果将回路断开（不在接点处），虽无电流，但在断开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产
5、生的温差电动势与两接点间的温度差成正比，0()T为冷端温度， 为热端温度， 叫温差电系数。0 在本实验中，使用两对相同的铜康铜热电偶， 相同，它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻璃管中， 也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时，可得样品上下表面的温度分别为：0， ，所以10T20T 1212T或 ，这样，式（5）可以写为 （6）221240.5()CmhdtA（6）式就是本实验所依据的公式。 和 分别为样品的直径和厚度， 和 分别为散热铜盘的比dhCm热和质量， 和 分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势（由数字电压表读出），12为散热盘在 时的冷却速率。2t23、实验仪器：导热
6、系数测定仪（TC3）、杜瓦瓶四、实验内容和步骤：（1）先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端（见下图），并在金属圆筒两端涂上导热硅胶，然后置于加热盘 A 和散热盘 P 之间，调节散热盘 P 下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热盘 A 及散热盘 P 紧密接触。（2）在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆筒侧面上、下的小孔中，并分别将热电偶的的接线连接到导热系数测定仪的传感器I、II 上。（3）接通电源，将加热开关置于高档，当传感器 I 的温度 T1约为 3.5mV 时，再将加热开关置于低挡，约 40min。（4）待达到稳态时（T 1与 T2的数值在 10min 内的变化小
7、于 0.03mV），每隔 2min 记录T1和 T2的值。（5）测量散热盘 P 在稳态值 T2 附近的散热速率，移开加热盘 A，先将两测温热端取下，再将 T2 的测温热端插入散热盘 P 的侧面小孔，取下金属圆筒，并使加热盘 A 与散热盘P 直接接触，当散热盘 P 的温度上升到高于稳态 T2的值约 0.2mV 左右时，再将加热盘 A移开，让散热盘 P 自然冷却，每隔 30s 记录此时的 T2值。（6）记录金属圆筒的直径和厚度、散热盘 P 的直径、厚度、质量。五、实验数据与处理：C 铜 =0.09197calcm-1s-1) 1cal=418.68W/mK散热盘 p：m=810g =6.385cm
8、 =0.71cmpRph金属铝圆筒： =1.95/cm =9.0/cmBB表 1稳态时 T1 T2 的数据：稳态时对应3的热电势数据 mVU2.463表 2散热速率：=_0.0729_ mV/smKW CscmaltTcRhRBPB/30.12 316.0)532.-7.()1.02385.6(9729.8)( 11221 铝的热导率的理论值为 2.0102 (Js-1m-1K-1)序次 1 2 3 4 5 平均T1/mV 2.73 2.73 2.73 2.71 2.71 2.722T2/mV 2.52 2.53 2.54 2.53 2.54 2.532时间/s 30 60 90 120 150 180 210 240T2/mV 2.67 2.58 2.51 2.43 2.35 2.28 2.22 2.16六、误差分析：1、实验中铝并不是纯铝，存在杂质，而纯度及杂质未知。2、树脂圆环与加热盘和散热盘不能紧密接触。3、在实验过程中发现，热电偶的两端在插入时深浅对实验有一定的影响，过程中无法保持在同一深度，故测量的数据可能存在偏差。4、试验过程中，杜瓦瓶中不是冰水混合物对实验有一定的影响。七、思考题：1.在测量散热盘 P 的散热速率 时，为什么要测在稳态值 T3 附近的 ？tTtT答：在稳态时，散热速率铝棒和铜盘的相等，测得铜盘的即可得出铝棒的散热速率。八、附上原始数据
