对杜瓦瓶内放置一定的冰水混合物和常温下的自来水对硅橡胶热导率影响的探究(得分5)

对杜瓦瓶内放置一定的冰水混合物和常温下的自来水对硅橡胶热导率影响的探究 实验者：……   同组实验者：^^……   指导教师：竺江峰 （班级 学号，联系号；……） 【摘要】：本实验采用稳态法测量固体热导率，通过使用TC—3型固体导热系数测定仪来测量硅橡胶的热导率，分别测出杜瓦瓶内放置冰水混合物和常温下自来水的硅橡胶的热导率，进行比较，从而探究是否对硅橡胶的热导率产生影响。 【关键词】：固体导热系数测定仪  冰水混合物    常温下自来水 一、 引言： 本实验采用稳态法测量固体导热系数。在测量时，先用热源对测试样品进行加热，并等样品内部形成稳定的温度分布后再进行测量，进而得出数据分析比较。 二、 设计原理： 根据傅里叶方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1和T2(设T1>T2)的平行平面，若平面面积均为ΔS，则在Δt时间内通过面积ΔS的热量ΔQ满足表达式： （a）                    式中κ即为该物质的热导率，也称导热系数。Rc为样品的半径，hc为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变， 于是通过样品盘C上表面的热流量与由散热铜盘B向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘B在稳定温度T2 时的散热速率来求出热流量 。 铜盘B在T2 的冷却速率 ，而稳态时铜盘B散热速率 ,但要注意：这样求出的 是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为 （其中RB与hB分别为紫铜盘B的半径与厚度）。然而，在观察测试样品C的稳态传热时，B盘的上表面（面积为 ）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘B散热速率的表达式应作如下修正： （b） 将式（b）代入式（a），得 （c） 实验主要仪器及用具：TC—3型固体导热系数测定仪、TW—1型物理天平、游标卡尺、冰水混合物、自来水和硅油等。 三、 设计方案： 1. 用游标卡尺测量待测样品盘C直径和厚度，各测1次。 2. 用游标卡尺测量散热盘B的直径和厚度，各测1次，计算B盘的质量，也可直接用天平称出B盘的质量。 3. 把橡胶盘C放入加热盘A和散热盘B之间，用三个螺旋头E夹紧（拧去固定轴H不用）。 4. 在杜瓦瓶G中放入冰水混合物，将两热电偶I的冷端（两条黑线）插入杜瓦瓶中，热电偶的热端（两条红线）分别插入加热盘A和散热盘B侧面的小孔中，并将其温差电动势输出的插头分别插到仪器面板的传感器插座II和III上，如图13-2所示。 5. 测量稳态时温度T1和T2的数值。接通电源，打开电扇开关KB（使散热盘有效、稳定地散热），将“温度控制PID”仪表上设置加温的上限温度（ ），加热器开关KA打到高热（Ⅲ）档，当传感器II的温度T1约为4mV左右时，再将加热开关KA置于“Ⅱ”或“Ⅰ”档，降低加热电压。使加热盘A和散热盘B逐步达到稳定的温度分布（约需40分钟时间）。当达到稳态时，每隔3分钟VT1和VT2的值。 6. 测量散热盘B在温度稳态值T2附近的散热速率 。移开圆盘A，取下橡胶盘C，并使圆盘A的底面与铜盘B直接接触，当盘B的温度上升到高于稳定态的值T2若干度（0.2mV左右）后，关掉加热器开关KA（电扇仍处于工作状态），将A盘移开（注意：此时橡胶盘C不再放上），让铜盘B自然冷却，记录T2共约6～8次，每隔30秒一次（注意：记录的数据必须保证温度稳态值T2在其测量范围以内）。 7. 将杜瓦瓶内的冰水混合物换成常温下的自来水，再重复4、5、6的步骤 8. 关掉电扇开关KB和电源开关KF。 四、 实验结果与分析： 1、基本数据 铜的比热容c =385.06J/（Kg·K）    实验前测得室温t=15.0±0.5℃ (1)、散热盘B 2RB=129.80±0.02㎜，            RB=64.90±0.02㎜， 厚度为hB=7.78±0.02㎜,          质量mB=888±2g （2）、橡胶盘C 2RC=130.42±0.02㎜，            RC=65.21±0.02㎜， 厚度为hC=8.16±0.02㎜ 2、实验数据I (冰水混合物) (1)、稳态时T1、T2数据（每隔3分钟记录） i 1 2 3 4 5 平均 T1（mV） 3.05 3.05 3.05 3.05 3.05 3.05 T2（mV） 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46 1.46               （2）散热速率 t（s） 0 30 60 90 120 150 180 (mV/s) T2（mV） 1.66 1.61 1.56 1.50 1.45 1.39 1.34 1.8×10-3                   散热速率图象分析如下： 2、实验数据II (自来水) (1)、稳态时T1、T2数据（每隔3分钟记录） i 1 2 3 4 5 平均 T1（mV） 2.98 2.98 2.97 2.96 2.96 2.97 T2（mV） 1.12 1.12 1.11 1.11 1.11 1.11               （2）散热速率 t（s） 0 30 60 90 120 150 180 (mV/s) T2（mV） 1.31 1.26 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 1.7×10-3                   散热速率图象分析如下： （3）、根据实验数据得出结论 一、冰水混合物 带入数据得硅橡胶的热导率 二、常温下自来水 带入数据得硅橡胶的热导率 实验结果分析： 定性分析 1. 实验结果测得热导率范围在 中,符合硅橡胶材料的特性。由结果可以直接看出对于杜瓦瓶内放置冰水混合物，还是自来水，对硅橡胶热导率测量的影响不大。从取材方面来讲，建议还是直接用自来水比较方便。 2. 从结果看出是可能由于冬天天气原因，导致冰水混合物与自来水测量出的热导率比较接近。所以建议用自来水代替冰水混合物的一个重要原因。当然也可能是由于刚开始测量的时候对仪器的操作并不是很熟悉导致的。 3. 还有就是我们做实验时，别的同学会过来进行询问，探讨，触碰实验器材等，都可能对实验结果也造成一定的影响。 定量分析 1. 以冰水混合物为参考作为理论值，求得 其误差较小，进行比较，杜瓦瓶内放置冰水混合物和常温下自来水的硅橡胶的热导率接近，从而对硅橡胶的热导率产生影响较小。 2. 由于技术原因，对于铜板及硅橡胶基本数据测量的时候，可能由于材料并不是绝对的规则，而导致测量半径、高度的时候都存在误差。还有就是在装仪器用具的时候，待测硅橡胶盘与两铜板没有夹紧，再加上本次实验的时间特别长，从中可能会有很多导致实验误差的不确定因素，所以在测量方面需要注意可以进行多次测量，保证准确性。 参考文献 [1] 竺江峰,芦立娟,鲁晓东.大学物理实验[M].中国科学技术出版社.2005.9:86-91