PDF《武汉市蜀汉量子科技有限责任公司》

武汉市蜀汉量子科技有限责任公司 数显准稳态比热.

导热系数实验仪 实验指导说明书 SHZ-BDX 2017-12-05 武汉市蜀汉量子科技有限责任公司

1 数显准稳态比热.导热系数实验仪 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) . 以往测量导热系数和比热的方法大都用稳态法,使用稳态法要求温度和热流量均要稳 定, 但学生在实验中实现这样的条件比较困难, 因而导致测量的重复性、 稳定性、 一致性差, 误差大.为了克服稳态法测量的误差,本实验用一种新的测量方法――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,就可通过简单计 算得到导热系数和比热. 【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 【实验仪器】

1、新型准稳态法比热导热系数测定仪

2、样品测试架一个,实验样品两套(橡胶和有机玻璃,每套四块) ,加热板两块,热电 偶两副,导线

7 根,保温杯一个. 【实验原理】

1、准稳态法测量原理 考虑如图1所示无限大平板的一维导热模型:一无限大不良导体平板厚度为2R,初始 温度为

0 t ,现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度 c q ,则平板各处的温度 ) , ( ? x t 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: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

0 2

2 )

0 , (

0 ) ,

0 ( ) , ( ) , ( ) , ( t x t x t q x R t x x t a x t c ? ? ? ? ? ? 式中 c a ? ? / ? , ? 为材料的导热系数, ? 为材料的密度,c 为材料的比热. 可以给出此方程的解为(参见附录 A) : ) cos )

1 (

2 6

2 1 ( ) , (

2 2

2 1

2 1

2 2

0 ? ? ? ? ? ? ? R an n n c e x R n n R R x R R a q t x t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 考察 ) , ( ? x t 的解析式 (1) 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, x R R qc qc

0 图1理想无限大不良热导体平板 武汉市蜀汉量子科技有限责任公司

2 直至所占份额可以忽略不计. 定量分析表明当

5 .

0 2 ? R a? 以后,上述级数求和项可以忽略.这时式(1)变成: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

6 2 ) , (

2 0 R R x R a q t x t c ? ? ? (2) 这时,在试件中心处有

0 ? x ,因而有: ? ? ? ? ? ? ? ? ?

6 ) , (

0 R R a q t x t c ? ? ? (3) 在试件加热面处有 R x ? ,因而有: ? ? ? ? ? ? ? ? ?

3 ) , (

0 R R a q t x t c ? ? ? (4) 由式(3)和(4)可见,当加热时间满足条件

5 .

0 2 ? R a? 时,在试件中心面和加热面处 温度和加热时间成线性关系, 温升速率同为 R aqc ? , 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: ? ? ? R q t R t t c

2 1 ) ,

0 ( ) , ( ? ? ? ? (5) 由式(5)可以看出,此时加热面和中心面间的温度差 t ? 和加热时间? 没有关系,保 持恒定.系统各处的温度和时间是线性关系,温升速率也相同,我们称此种状态为准稳态. 当系统达到准稳态时,由式(5)得到 t R qc ? ?