大学物理实验 · 热学数据工坊

稳态不是“等一会儿”
而是可以检验的斜率

先用上下盘温漂判断近似稳态,再在下盘相同温度处拟合冷却速率。两个独立阶段通过能量平衡相接,得到不良导体的热导率。

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用测温时序检验“近似稳态”

在所选末段分别线性拟合上下盘温度;两者的温漂绝对值都不超过阈值,才通过。

K/min
点

每行 3 列,逗号或空格分隔;时间须严格递增,至少 3 行有效数据。

上盘温度下盘温度虚线:末段线性拟合
上盘温漂—
下盘温漂—
检验末段—
等待检验
判据检查的是温度随时间是否仍在系统变化。上下盘温差看似固定,不代表两块盘本身已停止漂移。
2

在下盘工作温度附近做局部拟合

移去样品后记录下盘自由冷却。只取目标温度附近的点,求该温度瞬时冷却斜率。

℃
点

时间须严格递增;目标温度必须落在数据温度范围内。局部点数取奇数。

冷却数据用于局部拟合的点虚线:局部拟合直线
dT/dt(每分钟)—
dT/dt(每秒)—
局部拟合 R²—
等待拟合
冷却曲线通常不是全程直线。用全程斜率代替 T = T下 处的局部斜率,会把不同温度下的散热能力混在一起。
3

用同一工作温度下的能量平衡求 λ

输入几何量和下盘热容;稳态段界面温度可手动修改,也可直接采用拟合末段均值。

一维热流近似
样品薄、截面均匀,温度取上下接触面处。箭头只表示穿过样品的净传热,不表示加热器全部输入功率。
mm
mm
cm²
℃
℃
kg
J/(kg·K)
mm
mm
λ = [−mc(dT/dt)T下] · d / [A(T上−T下)]

单位统一为 kg、J/(kg·K)、K/s、m、m²、K,最终得到 W/(m·K)。

当前模型估计 — W/(m·K)
  1. 局部冷却给出散热功率:—
  2. 稳态传导温差:—
  3. 几何换算:—
  4. 仅由 d 与 D 的读数不确定度估算几何相对分量:—
P加热器电输入 ≠ P样品传导(一般情形)
加热盘自身对流、辐射、导线导热与边缘漏热都会分流。除非另有完整热损修正或直接热流标定,本实验不把 UI 直接代入。
4

模型边界体检:一个数值不等于一个可信结果

勾选真实实验条件。诊断将提示热导率偏高或偏低的常见方向,而不是自动“修正”数据。

傅里叶定律:qx = −λ dT/dx

把 dT/dx 写成 (T下−T上)/d,隐含温度沿厚度近似线性、λ 在该温区近似不变。

为什么这些偏差不能由拟合优度 R² 自动发现?
  • 接触热阻会让实测界面温差包含额外温降,通常使按样品厚度反算的 λ 偏低。
  • 侧向散热使下盘散热不只由穿过样品的热流补偿;若仍强行相等,可能造成系统偏差。
  • 厚度误差按一次方进入 λ,直径误差通过面积约按两倍相对量进入。
  • 传感器离界面较远时,读数混入盘内温度梯度与时间滞后,即使曲线很平滑也不代表温度选对。

教学模型说明:下盘被近似为温度均匀的集中热容,且自由冷却阶段在同一温度处的瞬时散热功率能代表稳态阶段的下盘散热。若实验装置包含明显的支架导热、上下盘热容耦合或温控反馈,应按装置说明书增加相应修正项。