非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量帶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1、本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告（閱）實(shí)驗(yàn)名稱:非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)11 非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?.學(xué)習(xí)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和技能。2.學(xué)習(xí)測(cè)量非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的基本原理的方法。3.通過(guò)做物體冷卻曲線和求平衡溫度下物體的冷卻速度，加深對(duì)數(shù)據(jù)圖事法的理解。【實(shí)驗(yàn)原理】 熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分，這種現(xiàn)象叫做熱傳遞。熱傳遞的方式有三種：傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射。 設(shè)有一厚度為l、底面積為So的薄圓板，上下兩底面的溫度T1，T2不相等，且T1T2，則有熱量自上底面?zhèn)鬣l(xiāng)下底面（見(jiàn)圖1），其熱量可以表示為dQ dT=-SodTdl (1) 圖1 測(cè)量樣品式中，dQdT=

2、為熱流量，代表單位時(shí)間里流過(guò)薄圓板的熱量；dTdl為薄圓板內(nèi)熱流方向上的溫度梯度，式中的負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度的方向相反；為待測(cè)薄圓板的熱導(dǎo)率。 如果能保持上下兩底面的溫度不變（穩(wěn)恒態(tài)）和傳熱面均勻，則dtdl=TL=T2-T1l，于是=dQdT=-SoT2-T1dl (2)得到 =-So(T2-T1)l關(guān)鍵1.使待測(cè)薄圓板中的熱傳導(dǎo)過(guò)程保持為穩(wěn)恒態(tài)。2.測(cè)出穩(wěn)恒態(tài)時(shí)的。1 建立穩(wěn)恒態(tài) 為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)恒態(tài)，在試驗(yàn)中將待測(cè)薄圓板B置于兩個(gè)直徑與B相同的鋁圓柱A,C之間，且緊密接觸，（見(jiàn)圖2）。 圖二 測(cè)量裝置C內(nèi)有加熱用的電阻絲和用作溫度傳感器的熱敏電阻，前者被用來(lái)做熱源。首先，可由EH-3數(shù)字

3、化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀將C內(nèi)的電阻絲加熱，并將其溫度穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值上。B的熱導(dǎo)率盡管很小，但并不為零，固有熱量通過(guò)B傳遞給A，使A的溫度TA逐漸升高。當(dāng)TA高于周?chē)諝獾臏囟葧r(shí)，A將向四周空氣中散發(fā)熱量。由于C的溫度恒定，隨著A的溫度升高，一方面通過(guò)C通過(guò)B流向A的熱流速率不斷減小，另一方面A向周?chē)諝庵猩岬乃俾蕜t不斷增加。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)A 從B獲得的熱量等于它向周?chē)諝庵猩l(fā)的熱量時(shí)，A的溫度就穩(wěn)定不變了。 2.測(cè)量穩(wěn)恒態(tài)時(shí)的 因?yàn)榱鬟^(guò)B的熱流速率就是A從B獲的熱量的速率，而穩(wěn)恒態(tài)時(shí)流入A的熱流速率與它散發(fā)的熱流速率相等，所以，可以通過(guò)測(cè)A在穩(wěn)恒態(tài)時(shí)散熱的熱流速率來(lái)測(cè)。當(dāng)A單獨(dú)存在時(shí)，它在穩(wěn)恒溫度下

4、向周?chē)諝庵猩岬乃俾蕿樽?dQdT=cm(dTAdt)=cmn （3） 式中，c為A的比熱容；m為A的質(zhì)量；n=dTAdtT=T2成為在穩(wěn)恒溫度T2時(shí)的冷卻速度。 A的冷卻速度可通過(guò)做冷卻曲線的方法求得。具體測(cè)法是：當(dāng)A、C已達(dá)穩(wěn)恒態(tài)后，記下他們各自的穩(wěn)恒溫度T2,T1后，再斷電并將B移開(kāi)。使A，C接觸數(shù)秒鐘，將A 的溫度上升到比T2高至某一個(gè)溫度，再移開(kāi)C，任A自然冷卻，當(dāng)TA降到比T2約高To（）時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)讀數(shù)。以后每隔一分鐘測(cè)一次TA,直到TA低于T2約To（）時(shí)止。測(cè)的數(shù)據(jù)后，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以TA為縱坐標(biāo)做A的冷卻曲線，過(guò)曲線上縱坐標(biāo)為T(mén)2的點(diǎn)做此曲線的切線，則斜率就是A在TA的

5、自然冷卻速度，即n=dTAdtT=T2=Ta-Tbta-tb （4）于是有 自=cmTa-Tbta-tb（5） 但要注意，A自然冷卻時(shí)所測(cè)出的自與試驗(yàn)中穩(wěn)恒態(tài)時(shí)A散熱是的熱流速率是不同的。因?yàn)锳在自然冷卻時(shí)，它的所有外表面都暴漏在空氣中，都可以散熱，而在實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)恒態(tài)時(shí)，A的上表面是與B接觸的，故上表面是不散熱的。由傳熱定律：物體因空氣對(duì)流而散熱的熱流速率與物體暴露空氣中的表面積成正比。設(shè)A的上下底面直徑為d，高為h，則有=自(d+4h2d+4h)=cmn(d+4h2d+4h) （6）將（6）帶入（2）式即得=dQdT=-SoT2-T1dl=-SoT2-T1l=2cml(d+4h)d2(2d+

6、4h)(nT2-T1) （7）【實(shí)驗(yàn)儀器】1EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀 圖3. EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀 圖4. EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀2.測(cè)導(dǎo)熱率的實(shí)驗(yàn)裝置加熱盤(pán)、待測(cè)樣品橡膠盤(pán)、散熱鋁盤(pán)游標(biāo)卡尺量程： 0125 mm分度值： 0.02 mm 表1 實(shí)驗(yàn)儀器【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）建立穩(wěn)恒態(tài)如圖3、圖4所實(shí)驗(yàn)裝置，連接好電纜線，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)旋至“設(shè)定溫度”檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定溫度粗選”和“設(shè)定溫度細(xì)選”鈕，選擇設(shè)定C盤(pán)加熱為所需的溫度（如80）值。將“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)撥向“上盤(pán)溫度”檔，打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)，觀察C盤(pán)溫度的變化，直至C盤(pán)穩(wěn)定恒定在設(shè)定溫度（如80）。再將“測(cè)量選擇開(kāi)關(guān)撥向“

7、下盤(pán)溫度”檔，觀察A的溫度變化，若每分鐘的變化 T0.1，則可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)恒態(tài)。記下此時(shí)的A和C的溫度T和T。時(shí)間測(cè)量：按動(dòng)“啟動(dòng)”鈕一下，即開(kāi)始計(jì)時(shí)；再按動(dòng)“啟動(dòng)”鈕一下即暫停計(jì)時(shí)；按動(dòng)“復(fù)位”鈕，即歸零。（2）測(cè)A盤(pán)在T時(shí)的自然冷卻速度 在讀取穩(wěn)態(tài)時(shí)的T和T之后，拿走樣品B，讓A盤(pán)直接與加熱盤(pán)C底部的下表面接觸，加熱鋁盤(pán)A，使A盤(pán)溫度上升到比T高3左右，再移去加熱盤(pán)C，關(guān)閉加熱開(kāi)關(guān)，“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)撥向“下盤(pán)溫度”檔，讓鋁盤(pán)A通過(guò)外表面直接向環(huán)境散熱（自然冷卻），每隔一分鐘記下相應(yīng)的溫度值，作出A的冷卻曲線，求出A盤(pán)在T附近的冷卻速率。（3）用游標(biāo)卡尺測(cè)出待測(cè)板A的直徑2R和厚度，記下A盤(pán)的

8、質(zhì)量m。（4）根據(jù)式（7）出待測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析】A T2=51.58B T1=57.27To=3A在T2時(shí)的冷卻曲線數(shù)據(jù)t/min012345678910T/51.58+554.0153.2652.4751.7251.0450.3549.6648.0148.3551.58-5-0.83表2 圖 5由圖得 n=-0.83穩(wěn)恒態(tài)時(shí)T1,T2數(shù)據(jù)123456T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27T1-T25.675.685.705.715.705.70 表3 S=的不確定度：=0.0157

9、9（）所以： T1-T2=5.690.02（）薄圓板A的直徑D與厚度的數(shù)據(jù)lmm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表4表徑D S=的A類不確定度：=0.1112（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： D=99.560.11（mm）=0.099560.00011(M)厚度hS=的A類不確定度：=0.1759（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=2.340.18（mm）=0.012340.00018(M)厚度lS=的

10、A類不確定度：=0.0197（mm）B類不確定度：0.02（mm）合成不確定度：（mm）所以： h=9.350.03（mm）=0.00940.0004(M)另外mA =0.26kg,c=0.89kj/kg，為單次測(cè)量，不考慮A類不確定度計(jì)算薄圓板的導(dǎo)熱率=2.51×10-2W/mK對(duì)應(yīng)的誤差傳遞公式為：0.04514.51%W/mK最終測(cè)得待測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)=（2.6±0.2）×10-2W/mK【注意事項(xiàng)】 待測(cè)平板上、下平面的溫度、是用加熱圓盤(pán)C的底部和散熱鋁盤(pán)A的溫度來(lái)代表，必須保證樣品與圓盤(pán)C的底部和散熱鋁盤(pán)A的上表面密切接觸。 要根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的具體情況，調(diào)整設(shè)定溫度。一般設(shè)定溫度在60到70之間。 撤去樣品盤(pán)后，若散熱盤(pán)的溫度上升不到或溫度上升太慢，可適當(dāng)增加設(shè)定溫度(如)，但最好等到散熱盤(pán)溫度基本不變后，再移去加熱盤(pán)。 防止?fàn)C傷！【分析思考】1 什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)？答穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱”全稱“穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱”，亦稱“穩(wěn)定導(dǎo)熱”。物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程。穩(wěn)態(tài)時(shí)，加熱盤(pán)和散熱盤(pán)的溫度為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)樣品上下表面的溫度（即加熱盤(pán)和散熱盤(pán)的溫度）連續(xù)10min內(nèi)保持不變，判斷實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。 2 什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者在穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)有什么內(nèi)在聯(lián)系？答：傳