导热实验讲义

第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。

0≠τ∂∂t，任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。

根据物体内温度随时间而变化的特征不同，非稳态导热过程可分为两类：（1）周期性导热（periodic unsteady conduction ）：物体的温度按照一定的周期发生变化； 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。

（2）瞬态导热(transient conduction)：物体的温度随时间不断升高或降低，在经历相当长时间后，物体的温度逐渐趋于周围介质的温度，最终达到热平衡。

分析非稳态导热的任务：找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。

第一节 非稳态导热的基本概念一、瞬态导热过程采暖房屋外墙墙内温度变化过程。

采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的。

采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。

墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变。

采暖设备开始供热：刚开始供热时，由于室内空气温度很快升高并稳定，内墙温度的升高相对慢些，内墙表面热流密度最大；随着内墙温度的升高，内墙表面热流密度逐渐减小；随着外墙表面的缓慢升高，外墙表面热流密度逐渐增大；最终二者相等。

上述非稳态导热过程，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。

（1）第一阶段（右侧面不参与换热）是过程开始的一段时间，特点是：物体中的一部分温度已经发生变化，而另一部分仍维持初始状态时的温度分布（未受到界面温度变化的影响），温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，物体内各处温度随时间的变化率是不一样的，即：在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段或初始阶段（initialregime）。

（2）第二阶段（右侧面参与换热）当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受t影响，主要取决于边界条件及物性。

不良导体的热导系数的测量实验简介材料的导热系数是反映材料热性能的物理量，导热机理在很大程度上取决与它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。

导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、 压力及杂质含量相联系。

测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类是动态法。

用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分析，然后进行测量。

而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。

本实验采用稳态法进行测量。

实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。

实验仪器待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘（带隔热层）、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等实验原理1，导热系数当物体内存在温度梯度时，热量从高温流向低温，谓之热传导或传热，传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积，比例系数为热导系数或导热率：dS dxdTdt dQ λ-= （1） 2，不良导体导热系数的测量厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘之间。

热量由加热盘传入。

加热盘和黄铜盘上各有一小孔，热电偶可插入孔内测量温度，两面高低温度恒定为T 1 和T 2时，传热速率为S hT T dt dQ21--=λ （2）图 1图 2由于传热速率很难测量，但当T 1 和T 2稳定时，传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热量。

这时移去橡胶板，使加热盘与铜盘直接接触，将铜盘加热到高于T 2约10度，然后再移去加热盘，让黄铜盘全表面自由放热。

每隔30秒记录铜盘的温度，一直到其温度低于T 2，据此求出铜盘在T 2附近的冷却速率dtdT。

铜盘在稳态传热时，通过其下表面和侧面对外放热；而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。

物理教案：探究热传导的实验与原理一、实验目的与背景热传导是物质内部自发的热量传递过程，在日常生活中无处不在。

为了深入理解热传导的原理，本次实验旨在通过探究热传导的实验来验证其基本规律，并加深对热传导现象的理解。

二、实验器材与原料1. 长方形金属棒（如铜棒）：用于传递和传导热量。

2. 温度计：测量金属棒的温度变化。

3. 夹子：固定金属棒。

4. 酒精灯或点火器：提供能量以使金属棒受热。

5. 计时器：记录实验过程中的时间。

三、实验步骤1. 将金属棒固定在架子上，使其水平放置。

2. 给金属棒两端施加恒定电流，在其中一端点火镁带进行点火，并立即启动计时器。

3. 同时开始记录金属棒不同位置处的温度，并随时间推移进行观察，并记录各个时间节点处该位置温度值。

4. 在观察到温度差变得稳定后停止计时和观察。

5. 将实验结果整理并分析。

四、实验原理与技术解释热传导是物质内部的自发热量传递过程，其基本规律可以通过实验来验证。

在这个实验中，我们利用金属棒作为传导介质，通过给其中一端施加恒定电流对金属棒进行加热。

接着，我们记录不同位置处的温度随时间的变化。

根据研究得知，在稳态条件下，热传导过程中的能量流速密度与温度梯度成正比。

也就是说，当温度梯度越大时，单位时间内通过物体某一点表面积的热量传递也越大。

此外，金属具有优良的导热性能，在实验中既可以作为材料进行测试，也可以作为媒介进行传播。

因此，通过观察和记录金属棒上不同位置处的温度变化情况，我们可以推断出其内部热量如何传导，并验证这种推断是否与现有理论相符。

五、实验结果及讨论在实验过程中，我们记录了金属棒上不同位置处的温度随时间的变化。

根据观察到的结果，在初始阶段，加热端温度升高很快，而导热性能好的金属棒趋于稳定的速度较快。

随着实验时间的增加，温度梯度逐渐减小，整个金属棒达到热平衡。

根据实验结果和理论分析可得出结论：在稳态条件下，金属内部热传导的速率与距离加热源的位置成反比；同时，在单位时间内通过单位面积传递的热量与温度差成正比。

注意：本次实验B211有三种实验仪器，座位号1—10预习报告参考?讲义一?内容，座位号11—22预习报告参考?讲义二?内容，座位号23—24预习报告参考?讲义一?内容！讲义一：用稳态法测量不良导体的导热系数【实验目的】1、 感知热传导现象的物理过程；2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数；3、学习利用物体的散热速率测量传热速率。

【实验仪器及装置】FD-TC-B 型导热系数测定仪、游标卡尺及电子天平等如图1所示FD-TC-B 型导热系数测定仪，它是由电加热器、铜加热盘C ，橡皮样品盘或胶木样品盘B ，铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。

【实验原理】 1、傅立叶热传导方程傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的根本规律。

该方程式指出：在物体内部，垂直于热传导方向彼此相距B h ，温度分别是121θθθ（和>）2θ的两个平行平面之间，当平面的面积为S 时，在t δ时间内通过面积S 的热量Q δ满足关系：212124BB BQ S d t h h θθθθδλλπδ--== 〔1〕 即热流量tQδδ〔单位时间传过的热量〕与导热系数λ〔又称热导率〕、传热面图1 FD-TC-B 型导热系数测定仪积24B d S π=、距离B h 以及温差12θθ-有关。

而λ的物理意义为相距单位长度的两个平面间的温度相差一个单位时的每秒通过单位面积的热量。

不良导体的导热系数一般很小，例如，矿渣棉为0.058，石棉板为0.12，松木为0.15～0.35，混凝土板为0.87，红砖为0.19，橡胶为0.22等。

良导体的导热系数通常比拟大，约为不良导体的321010～倍，如铜为4.0×210。

以上各量单位是11W m K --。

2、实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P ，散热盘P 可以借助底座内的风扇，到达稳定有效的散热。

散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品盘B 上放置一个圆盘状加热盘C ，其面积也与样品B 的面积相同，加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。

导热系数的测定【实验目的】1、感知热传导现象的物理过程。

2、学习用稳态法测量不良导体的导热系数。

3、学习测量冷却速率的方法。

【实验仪器】TC-3型导热系数测定仪、温度传感器、橡皮版、电子秒表、游标卡尺、电子天平【实验原理】1、傅立叶热传导方程导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量，测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术和很多科学实验室中都有非常重要的应用。

如图一所示，设粗细均匀的圆柱形导体横截面面积为S ，高为h ，加热后上端温度为T 1， 下端温度为T 2，T 1> T 2，热量从上端流向下端。

若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时虽然各个截面的温度并不相等，但相等的时间内流过各个截面的热量必然相等（设侧面热损失可以忽略不计），这时热传递达到动态平衡，整个导体处于热稳定状态。

法国数学家、物理学家傅立叶给出了此状态下的热传递方程：hT T S t Q21-=∆∆λ （1） Q ∆是t ∆时间内流过导体横截面的热量，tQ∆∆叫传热速率。

比例系数λ就是材料的导热系数或叫热导率，单位是W/K m ⋅.（瓦/米•开）。

在此式中，s 、h 、T 1、T 2容易测得，关键是如何测出传热速率tQ∆∆。

2、用稳态法间接测量传热速率tQ∆∆ 如图二所示，将待测样品夹在加热盘和散热盘之间，设热传递已达到稳态，由（1）式可知，加热盘的传热速率为：hT T S t Q 21-=∆∆λ=2214-d h T T πλ， （2） d 为样品盘的直径，h 为样品盘的厚度。

散热盘的散热速率为：t Q ∆∆=cm 2T T tT=∆∆ ， （3）图一图二c 为散热盘材料的比热，m 为散热盘的质量，2T T tT=∆∆表示散热盘在温度为T 2时的冷却速率。

（2），（3）式的右边相等：22214h -T T tTcm d T T =∆∆=πλ，所以2)(4212T T t TT T d cmh =∆∆⋅-=πλ 。

稳态法测固体的导热系数热传导是热量传递的三种基本形式之一，是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下由于温差引起的热量的传递过程，其微观机制是热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。

在金属中自由电子起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

法国科学家傅里叶＜JBJ.Fourier 1786 ―― 1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解读理论》中详细的提出了热传导基本定律，指出导热热流密度＜单位时间通过单位面积的热量）和温度梯度成正比关系。

数学表达式为：b5E2RGbCAP此即傅里叶热传导定律，其中为热流密度矢量＜表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量），是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量，在数值上等于每单位长度温度降低个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是------ 1 。

一般说来，金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。

因此，某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。

在科学实验和工程设计中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导热系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方法来精确测定。

plEanqFDPw测量导热系数的方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。

要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法。

测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。

稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。

非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数。

本实验采用稳态平板法测量物体的导热系数，该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性。

第一章 导热理论基础本章重点：准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念，准确掌握导热基本定律及导热问题的基本分析方法。

物质内部导热机理的物理模型：（1）分子热运动；（2）晶格（分子在无限大空间里排列成周期性点阵）振动形成的声子运动；（3）自由电子运动。

物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项，这几种机理在不同形态的物质中所起的作用是不同的。

导热理论从宏观研究问题，采用连续介质模型。

第一节 基本概念及傅里叶定律1-1 导热基本概念一、温度场(temperature field)（一）定义：在某一时刻，物体内各点温度分布的总称，称为即为温度场（标量场）。

它是空间坐标和时间坐标的函数。

在直角坐标系下，温度场可表示为：),,,(τz y x f t = （1-1）（二）分类：1．从时间坐标分：① 稳态温度场：不随时间变化的温度场，温度分布与时间无关，0=∂∂τt ，此时，),,(z y x f t =。

（如设备正常运行工况） 稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。

② 非稳态温度场：随时间而变化的温度场，温度分布与时间有关，),,,(τz y x f t =。

（设备启动和停车过程）非稳态导热：在非稳态温度场中发生的导热。

2．从空间坐标分： ① 三维温度场：温度与三个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),,(),,,(z y x f t z y x f t τ ② 二维温度场：温度与二个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),(),,(y x f t y x f t τ∆tt-∆tgrad t③ 一维温度场：温度只与一个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态，)()(x f t x f t τ 二、等温面与等温线1．等温面(isothermal surface)：在同一时刻，物体内温度相同的点连成的面即为等温面。

2．等温线(isotherms)：用一个平面与等温面相截，所得的交线称为等温线。

为了直观地表示出物体内部的温度分布，可采用图示法，标绘出物体中的等温面（线）。

稳态法测量物体的导热系数讲义导热系数是指单位时间内单位面积的热量通过一个厚度为1米的物体，并且该物体的两侧温度差为1K时，热量传导所发生的速率。

导热系数是物体传热性质的一个重要参数，是表征物体对热量传递的抵抗程度的指标。

常见的测量导热系数的方法有两种：稳态法和瞬态法。

稳态法是指在一定的温度差下测量物体的稳态热流密度，通过测量物体的热流密度、温度差和物体的厚度等参数计算得到物体的导热系数。

稳态法主要适用于导热系数相对稳定、厚度较大的材料，如纤维板、保温材料等各种隔热材料。

测量物体导热系数的仪器主要有两部分组成：热流仪和温度测量仪。

热流仪根据热传导原理，通过一组绝热屏障将试样的一侧保持恒定温度，另一侧得到一定的热流密度。

热流仪要求在保持一定的温度差下，使试样表面温度与环境温度之间的温度差足够小，以保证得到的热流密度稳定可靠，同时试样表面的辐射热损失要被控制在较小范围内。

温度测量仪通常选择高精度的热电偶，通过将热电偶嵌入试样内部，得到试样不同位置的温度分布情况。

为了保证测量准确性，热电偶的校正和补偿工作必须遵循严格的操作流程和规范。

测量物体导热系数的关键在于对样品的处理和操作过程的严格控制。

以下是基本的测量流程：1.准备样品：样品的尺寸和形状必须符合要求，保证试样表面平整，材质的导热系数必须呈线性变化，不存在孔洞等质量问题。

2.安装样品：用夹具牢固地固定好试样，并在试样的两侧，放置好热流仪和温度测量仪，保证测量精度和准确性。

3.开始测量：设定好温度差和其他参数，系统开始工作，记录试样表面和内部的温度值，对测量过程进行严格的控制和监测。

4.计算导热系数：根据测得的热流密度、温度差和试样厚度等参数，计算试样的导热系数。

根据上述基本流程，可以得到一个简单的稳态法测量物体导热系数的模型。

模型中涉及到的参量有：热流密度、试样厚度、温度差、试样长度和试样面积等。

利用计算公式，可以将这些参量结合起来，得出试样的导热系数。

热传导的原理和实验演示教案。

一、热传导的原理热传导的原理基于热量的能量传递。

当物体中有温度差时，热会从高温物质流向低温物质。

这个过程是通过物质的内部传导进行的。

也就是说，在高温物质的分子运动速度更快，所以能量的传递也会更快，最终能量会从高温物质传递到低温物质，直至两者的温度平衡。

热传导的速度受到多种因素的影响，其中最重要的是温度差，材料的热导率和材料的厚度。

温度差越大，热传导的速度也会越快。

材料的热导率指的是材料传导热量的能力，热导率越高，材料的热传导也就越快。

材料的厚度也会影响热传导的速度，普遍来说，厚度越薄，热传导的速度也会更快。

二、热传导的实验演示教案1、实验名称：探究不同材料的热传导速度目的：通过实验，了解不同材料的热传导速度，并对比它们之间的差异。

实验材料：-热水-金属盒子（可用铝材或铜材制作）-木盒子-塑料盒子-测温尺-计时器实验步骤：1.将热水倒入三个不同大小的金属、木材和塑料盒子中，盒子内都有相同量的热水。

2.用测温尺测量每个盒子内的热水温度，并标记下来。

3.使用计时器开启计时器，并记录每组测量的时间。

4.在一定时间后，使用测温尺再次测量每个盒子的温度，并记录下来。

5.将不同盒子内的温度差计算出来，并比较它们之间的差异。

分析结果：通过上述实验，你可以得到每个盒子内热传导速度的数据，并且比较不同材料之间的差异。

同样大小和形状的金属、木材和塑料盒子之间的热传导速度会有所不同，因为它们的热导率是不同的。

2、实验名称：探究不同物体内部的热传导速度目的：通过实验，探究不同物体内部的热传导速度，并对比不同物体之间的差异。

实验材料：-热水-铁球-铜球-玻璃球-测温尺-计时器实验步骤：1.将每个球体与相同温度的热水置于同一环境中。

2.用测温尺测量每个球体中心的温度，并记录下来。

3.使用计时器开启计时器，并记录每组测量的时间。

4.在一定时间后，再次使用测温尺测量每个球体中心的温度，并记录下来。

5.将不同球体内的温度差计算出来，并比较它们之间的差异。

一、实验目的1. 了解物体导热的基本原理和方法；2. 掌握稳态法测定物体的导热系数；3. 比较不同材料的导热性能。

二、实验原理物体导热是指热量在物体内部从高温区域向低温区域传递的过程。

根据傅里叶导热定律，热量在物体内部传递的速率与物体内部的温度梯度成正比，与物体的导热系数成正比，与物体内部的热流方向垂直的面积成正比。

稳态法测定物体的导热系数是通过维持物体内部的温度梯度恒定，测量单位时间内通过单位面积的热量，从而计算出导热系数。

实验过程中，需要确保物体内部达到稳态，即物体内部各点的温度不再随时间变化。

三、实验仪器1. 导热系数测定仪；2. 数字毫伏表；3. 待测样品（金属、非金属、复合材料等）；4. 冰水混合物；5. 热电偶；6. 秒表；7. 游标卡尺；8. 研究员。

四、实验步骤1. 将待测样品放置在导热系数测定仪的样品架上，确保样品与测定仪的接触良好；2. 将热电偶分别插入样品的上、下表面，并连接到数字毫伏表；3. 将数字毫伏表调零，确保测量精度；4. 将样品放入冰水混合物中，待样品温度稳定后，记录样品的上、下表面温度；5. 打开导热系数测定仪，调整加热功率，使样品内部达到稳态；6. 当样品内部达到稳态后，记录样品的上、下表面温度；7. 根据傅里叶导热定律，计算出样品的导热系数；8. 重复步骤4-7，分别测量不同材料的导热系数；9. 比较不同材料的导热性能。

五、实验结果与分析1. 样品A（金属）的导热系数为0.3 W/(m·K)，样品B（非金属）的导热系数为0.2 W/(m·K)，样品C（复合材料）的导热系数为0.1 W/(m·K)；2. 通过比较不同材料的导热系数，可以发现金属的导热性能最好，非金属次之，复合材料最差。

六、实验结论1. 通过稳态法测定物体的导热系数，可以有效地了解物体的导热性能；2. 金属的导热性能最好，非金属次之，复合材料最差；3. 在实际工程应用中，根据需求选择合适的材料，以提高导热性能。

导热与传热实验教案实验目的：通过导热与传热实验，加深学生对导热和传热原理的理解，培养学生的实验操作能力和数据处理能力。

实验原理：导热是指热量从高温物体自动传递到低温物体的过程。

传热是指热量在物体中的传递过程，可以包括传导、对流和辐射。

实验器材与试剂：1. 导热实验仪器：导热板、热电偶、温度计、电源、电压表、电流表等；2. 导热实验样品：金属棒、塑料棒等；3. 其他辅助器材：计时器、实验台、尺子等；实验步骤：1. 实验前的准备工作：a. 检查实验器材是否齐全，确保实验仪器和电源正常工作；b. 准备实验样品，根据实验要求选择合适的导热样品；c. 将实验台平整放置，确保实验环境整洁。

2. 实验一：导热实验的基本原理探究a. 将导热板置于实验台上，并将其调至水平状态；b. 将热电偶放置于导热板上，并与温度计连接；c. 打开电源，调节电压和电流大小；d. 记录实验开始时的温度，并开始计时；e. 每隔一定时间（如30秒），记录一次温度值，直至温度趋于稳定；f. 根据温度的变化情况，分析导热板的导热性能，并绘制温度-时间曲线。

3. 实验二：比较不同导热样品的导热性能a. 准备两根不同导热材料的棒状样品，确保长度、直径一致；b. 将两根导热样品分别置于实验台上，并将热电偶放置在样品的中心位置；c. 打开电源，调节电压和电流大小；d. 记录实验开始时的温度，并开始计时；e. 每隔一定时间（如30秒），记录一次温度值，直至温度趋于稳定；f. 对两个样品进行温度的比较，分析不同导热样品的导热性能。

4. 实验三：传热实验的基本原理探究a. 将一个容器装满热水，使其温度达到一定值；b. 将一个较冷的容器（可为玻璃杯）放置在热水中，隔一段时间记录一次温度；c. 分析温度的变化情况，讨论对流传热的原理。

5. 实验四：辐射传热实验a. 准备一个黑色物体和一个白色物体；b. 将两个物体同时放置在强光源下；c. 测量两个物体的表面温度，并分析温度的变化情况；d. 讨论辐射传热的特点和原理。