裘婭楠，袁　佳，賴莉飛

(寧波工程學院，浙江 寧波　315016)

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*通訊聯(lián)系人

測不良導體導熱系數(shù)實驗的改進

裘婭楠，袁佳，賴莉飛*

(寧波工程學院，浙江 寧波315016)

摘 要：不良導體導熱系數(shù)的測量是大學物理實驗熱學部分一個非常重要的實驗。目前該實驗在實現(xiàn)手段上還存在一些不足，主要為實驗裝置的缺陷，本文針對實驗裝置的缺陷進行分析，并對實驗裝置進行重新設(shè)計。

關(guān)鍵詞：不良導體；導熱系數(shù)；實驗裝置；重新設(shè)計

不良導體材料是生產(chǎn)生活中應用廣泛的保溫隔熱材料，而導熱系數(shù)是衡量不良導體導熱性能的重要物理量。材料的導熱系數(shù)測量不僅對工程實踐有重要作用，而且對新材料的研制和開發(fā)也作用巨大，因此，在《大學物理實驗》課程中開設(shè)“不良導體導熱系數(shù)測量”實驗，讓學生嘗試導熱系數(shù)的測量、認識熱傳導的基本原理和規(guī)律有重要意義。

1實驗不足分析

目前，在《大學物理實驗》中通常采用穩(wěn)態(tài)法測不良導體的導熱系數(shù)，但該實驗從實驗原理到物理量的測量等諸多環(huán)節(jié)還存在一些問題，主要有以下三點：

(1)實驗原理的缺陷

傳統(tǒng)實驗裝置如圖 1所示，由發(fā)熱銅盤、樣品盤和散熱銅盤由上到下緊密疊放而成。通過發(fā)熱銅盤給樣品盤傳熱，當系統(tǒng)傳熱達到平衡后，近似認為樣品盤的傳熱速率等于散熱盤的散熱速率，依據(jù)傅里葉熱傳導定律可得出：

(1)

式中ΔQ/Δt為傳熱速率，λ為樣品的導熱系數(shù)，hB為樣品的厚度， S為樣品的表面面積，dB為樣品盤的直徑，θ1和θ2分別是熱平衡時樣品盤上表面和下表面的溫度。根據(jù)熱量計算公式可知散熱盤的散熱速率，其中，c和m分別為散熱盤的比熱容及質(zhì)量。

圖1　傳統(tǒng)不良導體導熱系數(shù)測量原理圖

(2)

由(1)(2)兩式得

(3)

斯坦伯格研究表明[1]：由于熱平板上下表面冷空氣的運動形式不同，導致上表面的散熱系數(shù)約為下表面散熱系數(shù)的2倍，因此散熱盤上下表面的散熱速率并不相等。原實驗為了減少散熱盤上下表面散熱系數(shù)的差別，采用電風扇在散熱盤底部做強對流，但這樣處理仍有不足，因為自然對流與強迫對流是兩種不同的散熱方式，兩者的散熱速率可分別用公式(4)和(5)表示[2,3]

(4)

(5)

式中K、K′為系統(tǒng)冷卻散熱系數(shù)，T為系統(tǒng)溫度，T0為系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度?？梢?，電風扇并不一定能完全消除散熱盤上下表面散熱系數(shù)的差異，另外強迫對流還可能造成散熱環(huán)境的不穩(wěn)定，因此直接用公式(2)計算散熱速率是不準確的。

(2)實驗時間布局不合理

傳統(tǒng)實驗大體分三個階段，即兩次升溫和一次降溫。第一次升溫是實驗的核心部分，其目的是為了測試系統(tǒng)達到熱平衡時樣品上下表面溫度θ1和θ2，這部分等待時間過長，有時兩節(jié)課都完不成。

(3)數(shù)據(jù)處理復雜，影響測量精確性

2實驗改進

2.1實驗裝置的重新設(shè)計

為了避免散熱盤上下表面散熱不均，將實驗裝置由豎式布局(圖1)改成側(cè)立式(圖2)，實驗裝置主要包括控溫及數(shù)據(jù)采集綜合面板、電加熱片、薄銅板、半導體制冷片、隔熱圓柱桶、散熱器、待測樣品、導軌架、控溫傳感器和溫度傳感器。控溫及數(shù)據(jù)采集綜合面板分兩部分，左側(cè)為控溫面板，含兩個電源插孔，可插電加熱片和散熱器電源引線，其上窗口可顯示輸出功率，另含兩個控溫傳感器插孔，可插熱端控溫傳感器或冷端控溫傳感器。右側(cè)的數(shù)據(jù)采集面板含兩個溫度傳感器插孔，能實時采集熱端和冷端溫度，并能顯示溫度隨時間變化的關(guān)系曲線。電加熱片上有兩個插孔，可插電源引線和控溫傳感器。薄銅板上留有小孔，可插溫度傳感器。半導體制冷片上有插孔，可插控溫傳感器。隔熱圓柱桶由上下兩部分鉸接配合，上半部分可揭開，內(nèi)部做有固定槽；隔熱圓柱桶下半部分三分之一處軸向設(shè)置有滑槽，便于被插器件固定和滑行。散熱器上側(cè)有插孔可插入電源引線，散熱器內(nèi)側(cè)與半導體制冷片相連，其外側(cè)安有一個較大的鎖緊閥，以增加系統(tǒng)的整體緊密性和穩(wěn)定性。另外為了增加設(shè)備靈活性，整個裝置下端固定在導軌架上。

圖2　不良導體導熱系數(shù)測量新裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2實驗的實施

第二種方式，實驗相對簡單，只要完成第一種方式的第一步測試，就可求出樣品的導熱系數(shù)。其實驗原理依然采用傅里葉熱傳導定律，即根據(jù)公式(1)直接求出樣品導熱系數(shù)

(6)

(7)

2.3新裝置的優(yōu)勢

改進后的實驗裝置彌補了傳統(tǒng)實驗裝置的缺陷，并實現(xiàn)兩種途徑對材料導熱系數(shù)的測量，豐富了實驗內(nèi)容。另外，把數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)引入實驗測試系統(tǒng)中，可實時觀察實驗數(shù)據(jù)的變化，避免人為讀數(shù)帶來的誤差以及手工處理數(shù)據(jù)的冗雜。通過該實驗還可引發(fā)出許多值得同學們思考的問題，比如可以比較兩種實驗方式的伯仲，找出原因，從而對不良導體傳熱規(guī)律有更深理解。

3結(jié)論

針對“不良導體導熱系數(shù)測量”實驗存在的缺陷，本文對實驗裝置進行重新設(shè)計，變傳統(tǒng)豎式結(jié)構(gòu)為側(cè)立式結(jié)構(gòu)，減少散熱不均帶來的誤差；同一裝置實現(xiàn)兩種方式測樣品導熱系數(shù)，豐富實驗內(nèi)容；在數(shù)據(jù)處理方面引入數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集。應用本裝置測量導熱系數(shù)，數(shù)據(jù)更準確、更快捷。

參考文獻：

[1]美斯坦伯格,D.S.著,傅軍譯.電子設(shè)備冷卻技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1989.

[2]江石壽,趙改清,王喜省,等.立式不良導體導熱系數(shù)測量裝置的儀器缺陷分析及改進[J].大學物理實驗,2012,25(6):22- 24.

[3]郭秋娥.不良導體導熱系數(shù)測定實驗中儀表風扇對實驗結(jié)果的影響[J].大學物理實驗,2006,19(3):21- 25.

[4]賴莉飛,王笑君,數(shù)據(jù)采集器在大學物理設(shè)計性實驗中應用的探討[J].物理實驗，2009,29(8):36- 39.

[5]易志俊，陳偉，李娜，等.基于DISLab溫度傳感器的導熱系數(shù)測定[J].大學物理實驗，2014(4)：94-96.

The Improvement of Experimental Device for Measurement of Thermal Coefficient of Bad-Conductors

QIU Ya-nan,YUAN Jia,LAI Li-fei*

(NingBo University of Technology,Zhejiang Ningbo 315016)

Abstract：The measurement of the thermal coefficient of bad- conductors is a very important experiment in the thermal part of the college physics experiment.At present,there are still some problems in the approaches of the experiment,which is mainly in the experimental apparatus.The defects of device are focused on,and the experimental device is redesigned.

Key words：bad-onductors；thermal conductivity；experimental device；redesign

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.013

文章編號：1007-2934(2016)01-0048-03

基金項目：2015年度浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(2015R424016)；寧波市自然科學基金(2014A610153)

收稿日期：2015-10-05