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稳态法测固体导热系数在什么情况下

来源:学生作业帮 编辑:拍题作业网作业帮 分类:物理作业 时间:2024/03/28 21:52:42
稳态法测固体导热系数在什么情况下
稳态
法测

体的
导热
系数

热传导是热量传递的三种基本形式之一,
是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情
况下由于温差引起的热量的传递过程,其微观机制是热量的传递依靠原子、分子围绕平衡
位置的振动以及自由电子的迁移.在金属中自由电子起支配作用,在绝缘体和大部分半导
体中则以晶格振动起主导作用.

法国科学家傅里叶(
J.B.J.Fourier 1786
——
1830
)根据实验得到热传导基本关系,
1822
年在其著作
《热的解析理论》
中详细的提出了热传导基本定律,
指出导热热流密度
(单
位时间通过单位面积的热量)和温度梯度成正比关系.数学表达式为:


T
grad
q




此即傅里叶热传导定律,
其中
q
为热流密度矢量
(表示沿温度降低方向单位时间通过
单位面积的热量)
,

是导热系数又称热导率,是表征物体传导热能力的物理量,


在数
值上等于每单位长度温度降低
1
个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是
1
1
K
m
W





.
一般说来,
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;气体的导热系数最小.因此,某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切
相关,而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系.在科学实验和工程
设计中,需要了解所用物体的一些热物理性质,导热系数就是重要指标之一,常常需要用
实验的方法来精确测定.


测量导热系数的方法很多,
没有哪一种测量方法适用于所有的情形,
对于特定的应用
场合,也并非所有方法都能适用.要得到准确的测量值,必须基于物体的导热系数范围和
样品特征,选择正确的测量方法.测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类.稳态法是
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的方法.非稳
态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的,测出这种变化,得到热扩散
率再利用物体已知的密度和比热,求得导热系数.本实验采用稳态平板法测量物体的导热
系数,该法设计思路清晰、简捷,具有典型性和实用性.


实验目的


1
.了解热传导现象的物理过程.

2
.了解物体散热速率和传热速率的关系.

3
.学会用铂电阻型传感器测定温度.

4
.学习一种测量材料导热系数的实验方法.



实验原理


稳态平板法测量物体的导热系数原理示意图如图
1
,发热盘
A
将热量传到待测物体样
品盘
B
,再传到散热盘
C
,由于
A

C
盘是用热的良导体做的,与待测样品盘
B
紧密接触,

1
其温度可以代表
B
盘上、下表面的温度
2
1
T

,
T
,

2
1
T
T


,在样品盘
B
内,若热传导方
向垂直于上、下表面,两表面彼此间相距为
B
h
、面积均为
S
,当热传导达到稳定状态时,

1
T

2
T
的值不变,
根据傅立叶热传导定律,则在
t

时间内通过
B
盘的热量
Q

满足下
述表达式:








B
B
h
T
T
S
t
Q
)
(
2
1







稳态









( 1 )
式中
t
Q


为热流量,

即为该物质的导热系数(又称作热导
率)
,

若样品盘
B
做成圆盘,其半径为
B
R
,由式(
1
)可以知


道,单位时间内通过待测样品
B
任一圆截面的热流量为:













2
2
1
)
(
B
B
B
R
h
T
T
t
Q









稳态




















( 2 )
当热传导达到稳定状态时,
此时通过
B
盘上表面的热流量与由散热盘
C
向周围环境散
热的速率相等,即















散热
稳态
C
t
Q
t
Q

















B












3


因此可通过
C
盘在稳定温度
2
T

时的散热速率来求出热流量
t
Q



.
实验中,
在读得稳态时

1
T

2
T
后,
即可将
B
盘移去,
而使发热盘
A
的底面与散热盘
C
直接接触.
当盘
C
的温
度上升到高于稳态时的
2
T
值若干摄氏度后,再将发热盘
A
移开,让散热盘
C
自然冷却.
观察它的温度
T
随时间
t
变化情况,然后由此求出
C
盘在
2
T
的冷却速率
2
T
T
t
T



,
散热盘
C
的散热速率与其冷却速率的关系为

2
T
T
C
t
T
mc
t
Q


















散热











4



(4)

m
是散热盘的质量,
c
是散热盘的比热.

但要注意,
这样求出的
t
T



C
盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率,
其散热表面
积为
C
C
C
h
R
R






2
2
2
(其中
C
C
h
R

分别为
C
盘的半径与厚度)
.然而,在观察
测试样品的稳态传热时,
C
盘的上表面(面积为
2
C
R

)是被样品覆盖着的,根据物体的冷