预习 操作记录 实验报告 总评成绩 《大学物理实验（II）》课程实验数据记录
学院： 物理学院
专业：光电信息科学与工程 年级：15
实验人姓名（学号）：李法翰（） 日期： 2016年12月20日 星期二
上午［］下午［V ］晚上［ 室温：24 r
］
相对湿度：46%
实验B2不良导体热传导率的测量（准稳态法）
【实验目的】
（1） 了解准稳态法测量导热系数和比热的原理. （2） 学习热电偶测量温度的原理和使用方法. （3） 用准稳态法测量不良导体的导热系数和比热.
［原理概述］
热传导是热传递三种基本方式之一。导热系数定义为单位温度梯度下每单位时间 内由单位面积传递的热量，单位为 W / （m? K）。它表征物体导热能力的大小。
比热是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质，在温度升高（或降低） 1度 时所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热 ，单位为J/ （ kg K）。
测量导热系数和比热通常都用稳态法，使用稳态法要求温度和热流量均要稳定，但 在实际操作中要实现这样的条件比较困难，因而会导致测量的重复性、稳定性、一致性 较差，误差也较大。为了克服稳态法测量的这些弊端，本实验使用了一种新的测量方法 ――准稳态法，使用准稳态法只要求温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加 热达到稳态，就可以通过简单的计算得到导热系数和比热。
1. 准稳态法测量原理
考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为2 R,初始温 度为
t。，现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度 t（x,）将随加热时间而变化。
以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表达如下:
qc,则平板各处的温度
r
。心,r)
dr dt(R.v)
。'心,r) --------- dx2
仇
|; -
_ *
■
A
d/(0.r)_o dx
(1)
■
■置
q ■
q ■
J
* n ?
丄
R*
式中a 入P c， 入为材料的导热系数，p为材料 ffll理想中的无限大不良导佛平板，
的密度，c为材料的比热
可以给出此方程的解为:
r(A\\ r) = 口
R 2R ? (-l)p+1
2R
--------- + 7 丄 ----------- : UQ 号 ----- -V 亠
�
考察t（x,T ）的解析式（2）可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生 变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而 逐渐变小，直至所占份额可以忽略不计。 定量分析表明，当
R
晋沁 以后，上述级数求和项可以忽略。这时式（2）可简写成:
这时，在试件中心处有x 0,因而有： 在试件加热面处有x R,因而有：
由式（4）和（5）可见，当加热时间满足条件. 度和加热时间成线性关系，温升速率都为 时在试件中心面和加热面处温
：此值是一个和材料导热性能和实验条件 有关的常数，此时加热面和中心面间的温度差为： 由式（6）可以看出，此时加热面和中心面间的温度差 t和加热时间 没有直接关系，保 持恒定。系统各处的温度和时间呈线性关系，温升速率也相同，我们称此种状态为准稳 ^态0 当系统达到准稳态时，由式（6）得到 根据式（7），只要测量进入准稳态后加热面和中心面间的温度差/ t,并由实验条件确 定相关参量qc和R，则可以得到待测材料的导热系数 入o 另外在进入准稳态后，由比热的定义和能量守恒关系，可以得到下列关系式： 比热为： 式中川厂为准稳态条件下试件中心面的温升速率（进入准稳态后各点的温升速率是相同 的）0 由以上分析可得：只要在上述模型中测量出系统进入准稳态后加热面和中心面间的 温度差和中心面的温升速率，即可由式（7）和式（9）得到待测材料的导热系数和比热。 2. 热电偶温度传感器： 热热电偶结构简单，具有较高的测量准确度，测温范围为— 50?1600°C，在温度测 量中应用极为广泛。由A、B两种不同的导体两端相互紧密的连接在一起，组成一个闭 合回路，如图2 （a）所示。当两接点温度不等（T>To）时，回路中就会产生电动势，从 而形成电流，这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势。 TV
〉
(a)
< :
(c)
理论分析和实践证明热电偶的如下基本定律:
热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个接点的温度， 布以及热电极的尺寸与形状无关（热电极的材质要求均匀）。
在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体 C,只要引入的第三导体两端温度 相同，则对回路的总热电势没有影响。在实际测温过程中，需要在回路中接入导线和测 量仪表，相当于接入第三导体，常采用图 2 （b）或2（c）的接法。
热电偶的输出电压与温度并非线性关系。对于常用的热电偶，其热电势与温度的关 系由热电偶特性分度表给出。测量时，若冷端温度为 0C,由测得的电压，通过对应分 度表，即可查得所测的温度。若冷端温度不为零度，贝U通过一定的修正，也可得到温度 值。在智能式测量仪表中，将有关参数输入计算程序，则可将测得的热电势直接转换为 温度显示。
而与温度沿热电极的分
并可精确控制，加热器本身的热容可忽略不计。为了在加热器两侧得到相同的热阻，采 用四个样品块的配置，可认为热流密度为功率密度的一半，如图 3所示。
为了精确地测出温度和温差，可用两个分别放置在加热面中部和中心面中部的热电 偶作为温度传感器来测量温升速率和温差。 ［仪器用具］ 序号 名称 准稳态法比热、导热系数测定仪 加热板 热电偶 保温杯 橡胶板 有机玻璃板 导线 型号 数量 备注 1 2 3 4 5 ZKY-BRDR 型 // // // // // // 1 2 2 1 4 4 若干 6 7 准稳态法比热、导热系数测定仪： 实验仪主要包括主机和样品测试架，另有一个保温杯用于保证热电偶的冷端温度在 实验中保持恒定。 1.主机 主机是控制整个实验操作并读取实验数据的装置，主机前、后面板如图 示。 4,图5所 0加热指示灯：指示加热控制开关的状态。亮时表示正在加热，火时表示加热停 止； 1— 围： 加热电压调节：调节加热电压的大小（范15.00 V?19.99V）; 2— 测量电压显示：显示两个电压，即 加热电压（V） ”和 热电势（mV） ”； 3电压切换：在 加热电压”和 热电势”之间切换，同时 电压表”显示相应的电压；
B2不良导体热传导率的测量(准稳态法)实验报告
