固体热导率的测定模板.doc

固体热导率测定的研究方向
1引言：在对固体热导率进行测量的同时，不能保证杜瓦瓶内一直保持冰水混合物状态，即改变了热电偶的冷端温度，在不能预知结果的前提下，不能确定出现这种情况时，实验结果是否会不正确或是增加实验误差。所以本实验对在改变冷端温度的情况下分别进行实验测定，观察分析测定结果发现杜瓦瓶中为冰水混合物时的结果更加精确。
2实验原理：
根据稳态法，即先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分部，然后进行测量。根据傅里叶导热方程式可得：

由上式可得，单位时间内通过待测样品C任一圆截面的热流量为：

由于发热盘A和散热盘B都是良导体，两者的温度可代表金属导体上那个下两个面的温度。当热传导达到稳定状态时，通过样品盘C上表面的热流量与由散热铜盘B向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘B在稳定温度时的散热速率来求出热流量，考虑到物体的冷却速度与它的表面积成正比，故表达式（1）应修正为

此时，热导率的计算公式为：

式中：mB——散热铜盘B的质量（kg）
c——铜的比热容(J/kg·K)
——散热盘在温度下的散热速率（mv/s）
RB——散热盘B的半径（mm）
hB——散热盘B的厚度（mm）
RC——硅胶C的半径（mm）
h——硅胶厚度（mm）
——硅胶上端温度（mv）
——硅胶下端温度（mv）
——稳态时硅胶的温度（mv）
3实验方法及结果：
实验主要仪器及用具：TC-3型热导率测定仪，硅胶样品，TW-1型物理天平，游标卡尺，冰水混合物。

3.1实验方法：
（1）接通电源，将加热器开关打到高热档，用实验器材测量待测硅胶C以及散热盘B的直径、质量和厚度。
（2）在杜瓦瓶中放入常温下的自来水，将热电偶与测量仪连接好。
（3）测量稳态时的T1,T2。打开电扇，将加温的上限温度设置为100°C，当I1的温度约为4mv时，降低加热电压。当达到稳态时，每隔3分钟记录T1和T2的值。
（4）移开圆A盘，取下金属导体C和树脂圆盘，使A盘的底面与B盘直接接触，当B盘的温度上升到高于B盘在稳态下温度T2若干度（0.2mv左右）后，关掉加热器开关（电扇仍处于工作状态），移去A盘，让B盘自然冷却，记录T2共约6～8次，每隔30秒一次。(在杜瓦瓶中放冰水混合物时步骤同上)
（5）根据实验数据，按照相应的公式计算出金属导体的热导率。

3.2数据记录

1．基本数据
铜的比热容c=385.06J/（kg·K）室温t=16.5±0.5℃,

(1)散热盘B
直径2RB=129.74±0.02mm，半径RB=64.87±0.01mm，
厚度hB=7.80±0.02mm,质量mB=842.80±0.05g

(2)硅胶盘C
直径2RC=129.54±0.02mm，半径RC=74.77±0.01mm，
厚度hC=8.12±0.02mm。
2．实验数据记录：

I12345平均热导率W/(m·K)常温自来水
（mv）2.822.82.782.762.742.78
1=0.152（mv）1.421.411.41.391.381.4冰水混合物（mv）32.992.982.972.972.98
2=0.162（mv）1.761.751.741.731.721.74

时间t（s）0306090120150
180(mv/s)常温自来水T2（mV）1.321.261.21.141.081.030.98
0.0019冰水混合物T2（mV）1.561.491.431.371.311.251.2
0.0023.3数据处理
（1）常温自来水：
mv
mv

（2）冰水混合物：

（3）相对偏差的计算：
实验室采用的不良导体为硅胶盘，其热导率的理论参考值为0.072～0.165W/(m·K)。理论参考值取平均值0.165W/(m·K)：

3.4实验结果及分析
（1）实验时室外取得的自来水温度明显低于室温，虽然其温度依旧高于0℃，但这使测出的数据与常温的有偏差，以致结果有误差。
（2）实验过程中，硅胶盘与A,B盘之间有可能没有完全重合，那么硅胶盘就不能完全参与导热，实验就存在了操作误差。
（3）从观察结果以及公式可得，实验误差的来源主要是由T1,T2之差引起的，那么从实验数据来看，杜瓦瓶内放冰水混合物的情况下测得的T1,T2要比放常温自来水的数值大，从而实验结果更精确。
（4）实验从早晨到中午共进行了4个多小时，环境温度的变化会影响热导率测量的数据，可能会影响结果的准确性。
终上所述：杜瓦瓶内放冰水混合物比杜瓦瓶内放常温自来水测得的硅胶热导率更精确。

4参考文献：
竺江峰，芦立娟，鲁晓东.大学物理实验[M].北京：中国科学技术出版社，2007：86-91.