实验六(b) 不良导体导热系数的测定
实验目的
1.掌握不良导体导热系数的测定方法——稳态平衡法。
2.测定不良导体(橡皮或胶木)的导热系数,并学会利用冷却法绘制曲线求等温冷却速度。
实验仪器
不良导体导热系数测定仪,温度计(0~100℃,精确到0.1℃),蒸汽发生器,气压计(共用),游标卡尺,螺旋测微器,秒表。
实验原理
不良导体导热系数测定仪器装置如图3-6b-1所示。上铜板与蒸汽室相接,汽室内的温度T1为水的沸点温度,可由气压计测出室内压强值,再按附近压强与沸点之间的关系求得T1。下铜板侧面开有一个小孔,可插入温度计,测量T2,下有绝热支架,便于悬在空中有利于散热。热传导理论指出,只要物质内部的温度不均匀,便有热量传递。根据热传导定律,沿直线L方向,在dt时间内通过垂直于L方向上的面积元ds传递的热量为
式中负号表示热量沿着温度降低的方向传递;是温度梯度;K为导热系数。
对于一个厚度为h、面积为S的圆形板状的不良导体,若维持上、下面稳定的温度T1和T2,其侧面绝热,则在时间内t,沿着与S面垂直方向上传递的热量Q可表示为
(3-6b-1)
待测圆形板状不良导体用相同形状的铜板夹持,如图3-6a-1所示。若要忽略侧面散热,应使h较小,因而做成薄圆形板状体。它和上下铜板密切接触,做到紧密吻合。只有这样,上下铜板的温度T1、T2就是待测不良导体上下面的温度。当温度稳定时,导热系数可以表示为
(3-6b-2)
式中h、S、T1、T2均可测量。为待测不良导体的传热速率,在稳定传热状态下,可以认为它等于下铜板在温度为
T2时,从下面和侧面向环境散热的速率。本实验用下铜板的冷却曲线来求散热速率,其方法如下:取出待测样品,使上
下铜板直接接触一段时间后,再取走上铜板,让下铜板向环境散热,自然冷却。若这时下铜板通过上下两面和侧面的散
热速率为,则
(3-6b-3)
, (3-6b-4)
式中c和m为下铜板的比热和质量。作T~t冷却曲线如图3-6b-2所示,在T2点取切线求出其斜率
把(3-6b-3)、(3-6b-4)两式代入(3-6b-2)式后得
(3-6b-5)
实验内容
1.测量上下铜板(实为圆柱体)的S和S侧,并称出其质量m。
2.装好仪器,接通蒸汽发生器,观察上、下铜板的温度,等待温度稳定后,记录温度的数值T1,T2。
3.去掉待测样品,把上、下铜板直接接触,使下铜板温度升高10℃左右,然后去掉铜板,自然冷却,每隔30秒记录一次温度T′,直至T1′降到T2以下10~12℃停止,重复三次。
4.在实验中应注意以下几点:
(1)T1和T2达到稳定后再读数。
(2)实验过程中不要移动下铜板,且使蒸汽发生器出口远离下铜板,以免影响环境温度。
数据处理
将测量数值填入自拟表格中,并做出下铜板自然冷却曲线,求得当T’=T2时斜率然后根据(3-6b-5)式计算K值,并求出其百分误差。
的值并将三次得到的取平均值,作为值,
思考题
1.比较不良导体和良导体导热性的差别,说明其导热系数测量方法的异同。
2.在T’’~ t图上求时应该选取哪一点的斜率?为什么?
3.注意观察实验过程中环境温度的变化,研究它对实验结果的影响。
4.按照温度测量误差为±0.05℃估计,并考虑其它测量值误差,估算实验误差范围。