稳态法导热系数测定实验
一、实验目的
1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。
2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。
3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。
4、学习用温差热电偶测量温度的方法。
5、学习热工仪表的使用方法
二、实验原理
平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。图1是无限大平板导热示意图。
图1 无限大平板的稳态导热示意图
根据傅立叶（Fourier ）定律： ()()()T T T T c x x y y y y ρλλλτ∂∂∂∂∂∂∂=+++Φ∂∂∂∂∂∂∂ （1）
在一维无限大平板稳态传热时，方程（1）可简化为：
022=∂∂x T （2）
其边界条件为
x=0时， T =T w1
x=δ时， T =T w2
可解得下列方程
)(21w w T T A Q -=
δλ （3）
由式（3）可得 )(21w w T T A Q -⋅⋅=δ
λ （4）
式中
λ——导热系数，W/m ·℃；
δ——试件厚度，m ；
Q ——热流量，w ；
A ——试件面积，m 2；
T w1 ——试件下表面温度，℃；
T w2 ——试件上表面温度，℃。
一般情况下，选择平板试件的尺寸要注意满足下列条件：
D D 101
~71
≤δ
式中
D ——方板的短边长度，m 。
热流量Q 也可以由输入电压和电阻表示为：
2
U Q R =
（5） 式中
U ——施加在加热板上的电压，V ；
R ——加热板上内部加热电阻丝的电阻，Ω。
将式（5）带入式（4）得
)(212w w T T A R U -⋅⋅=δ
λ
（6） 对应此λ的材料温度为 22
1w w T T T +=
（7）
根据式（7）只要知道试件面积A、电压U、电阻R、厚度δ以及在厚度δ方向上的温度差，便可求出导热系数。
三、实验设备
实验设备如图2所示。
图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图
1.调压器
2.铜板
3.主加热板
4.上均热片
5.中均热片
6.下均热片
7.热电偶
8.副加热板
9.数据采控系统10.温度仪表
11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器
键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。
数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。
“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。
“RST”复位键：复位数据，重新选择。
控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。
四、实验内容
1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压（调节调压器），并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。
2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。
3、对实验结果进行分析与讨论。
4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。
5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。
五、实验步骤
1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。
2、测量加热板的内部电阻。
3、校准热工温度仪表。
4、向水箱内注入冷却水。
5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。
6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每
5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。
7、通过数据键输入试样面积、厚度等相关参数，由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数。
8、改变电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率件，重复步骤（5至7）测量并记录多个温度下的材料导热系数。
9、关掉电源。
六、实验要求
1、采用精度不低于0. 05 mm的厚度测量工具(游标卡尺)，沿试样四周测量四处的厚度，取其算术平均值，作为实验前试样厚度。
2、用酒精将试件及均热片擦洗干净并晾干，晾干后在其上均匀涂抹导热油。
3、用调压器将电压调至一定值，保持不变，经一段时间后，待跟试件上下表面接触的铜片各点温度为一定值时，即导热过程达到稳定后记录各点温度及电热器的电压。
4、改变电加热器的电压（调节调压器），即改变电热器热量使之维持在另一个数值上，跟试件上下表面接触的铜片各点温度达到新的稳定状态后，重复第3项的测量。
5、用最小二乘法计算不同橡胶材料的导热系数随温度变化的关系式。
五、实验报告要求
1、材料温度可取材料上下表面温度的平均值，即2/)(21w w T T T +=，其中：T w 1为试样材料下表面温度，T w 2为试样上表面温度。
2、实验报告需用专用的实验报告用纸进行书写；
3、实验报告中必须包含实验目的和实验步骤；
4、实验报告中必须包括实验数据的记录；
5、实验报告中必须包括实验数据处理的具体步骤，并有材料的导热系数随温度变化的关系式及关系曲线图；
6、实验报告中必须有对实验数据结果的分析。
