大学物理实验中测定导热系数的方法主要采用稳态法,其基本原理和步骤如下:
实验原理
热传导定律:在时间Δt内,通过面积ΔS传递的热量ΔQ与温差ΔT成正比,即ΔQ = kΔTΔt,其中k为导热系数。
稳态法:当样品内部的温度不再随时间变化时,认为样品处于稳态导热状态。此时,传入样品的热量等于散出的热量,样品上下表面的温度分别为一定值。
实验装置
主要设备:包括TC-3型导热系数测定仪、杜瓦瓶、游标卡尺等。
样品准备:通常使用圆饼形样品,尺寸规格为Φ180mm×h(8~25)mm。
实验步骤
安装样品:将样品(如橡胶盘)放置在散热盘(如黄铜盘)上,并在样品上下表面分别放置热电偶以测量温度。
加热与测量:通过发热器对样品进行加热,同时使用热电偶连续测量样品上下表面的温度,直到温度稳定为止。
数据记录:记录稳定状态下的样品上下表面温度T1和T2,以及样品厚度hB和截面面积A。
计算导热系数
热流量计算:根据傅里叶导热定律,单位时间通过样品任一圆截面的热流量DQ = λ(dT/dx)。
散热速率计算:散热盘的散热速率可以通过测量其在稳定温度下的冷却速率得到。
导热系数计算:通过热流量和散热速率的关系,计算出样品的导热系数λ = Q·δ/(A·ΔT),其中Q为水流吸收的热量,δ为样品厚度,A为样品面积,ΔT为冷热面温差。
实验注意事项
温度稳定性:实验关键在于保证温度场稳定,以便准确测量导热系数。
样品制备:样品的外形和尺寸需符合要求,以保证测量的准确性。
数据读取:在温度稳定后,及时读取并记录相关数据。
通过以上步骤和原理,可以较为准确地测定材料的导热系数,并进一步了解材料的导热性能。