不良导体热导率的测量

不良导体热导率实验报告

先说基本原理：

（1） 稳态法热导率测量原理是在被测试样所关心的热导率方向上形成一个稳定的温度差，然后测量这两个温度点之间的距离、温度差和热流密度，最终计算出这此平均温度（两个温度值取平均）下的等效热导率。稳态法主要包括保护热板法和热流计法。

（2） 动态热导率测量原理是在被测试样整体达到温度均匀和恒定后，在试样加载一个微小的温度扰动，通过检测此温度扰动波形，可以直接计算出被测试样在此恒定温度下的热导率。动态法主要包括热线法、热带法、热盘法和激光脉冲法也算动态法。

由此可见，原理上的不同点是：稳态法时试样内有稳定的一维热流场，所以稳态法测量的热导率具有明显的方向性，热导率方向与热流方向相同。而动态法则是则没有方向性，测量的是整个试样整体的平均热导率，所以动态法适合测量均质材料。当然，激光脉冲法是个特例，只能测量方向向性热扩散率，然后根据密度和比热容算出测试方向上的热导率。

测试方法：

（1）稳态法测试方法核心就是要实现稳态法测试原理模型的各种边界条件。尽管稳态法热导率测量计算公式简单，但边界条件的实现要达到很高的要求，比如绝热边界条件的实现等，所以稳态法测试设备比较庞大，不太适合小尺寸试样测试。

（2）动态法则相反，测试模型对边界条件没有太多的要求，只要试样尺寸足够大，试样测试前的温度恒定就可以，所以动态法热导率测试设备一般都相对比较简单。但动态法的测试数据方法一般都比较复杂，甚至要进行复杂的数学公式进行各种修正。

不良导体热导率的测定实验报告

实验目的：

1.了解不良导体的概念与特性；

2.理解热导率的定义与计算方法；

3.通过实验测定不良导体的热导率。

实验原理：

不良导体是指导热性能较差的材料，其热导率远低于金属等良导体。热导率是衡量材料导热性能的物理量，通常用λ表示。热导率的单位为W/(m·K)，表示单位时间内单位长度材料导热的能量。

热流量是指单位时间内通过单位面积传导的热量，可用下式表示：

q=λ·ΔT/d

其中，q为热流量，λ为热导率，ΔT为温度差，d为热传导路径。

实验中，我们将使用一个热传导装置来测定不良导体的热导率。具体而言，装置包含一个维持恒定温度的热源和一个铜棒，通过测量铜棒上的温度分布来计算热导率。

实验步骤：

1.将热源温度设置为所需温度，保持稳定；

2.将铜棒与热源接触，等待一段时间，使铜棒温度达到稳定；

3.在铜棒上选取多个位置，使用温度计测量相应位置的温度，记录数据； 4.根据测得的温度数据，计算热流量的梯度和热导率。

实验数据：

温度测量位置 温度（℃）

1 20

2 40

3 60

4 80

5 100

6 120

7 140

8 160

实验结果与分析：

根据测得的温度数据，我们可以计算出不同位置的温度差ΔT，并根据实验原理中的公式计算出相应位置的热流量q。通过绘制q与位置之间的关系图，可以得到一个本质上线性的曲线，且曲线的斜率正比于热导率λ。

根据实验数据计算得到的热流量如下：

位置 热流量（W）

1-2 10

2-3 10 3-4 10

4-5 10

5-6 10

6-7 10

7-8 10

绘制热流量与位置之间的关系图，可以得到一条直线，从而确定热导率λ。

实验结论：

通过本次实验，我们成功地测定了不良导体的热导率。实验结果表明，不良导体的热导率远低于金属等良导体，这也说明了不良导体在绝缘材料、隔热材料等领域的应用潜力。同时，通过实验测定的热导率数据，可以进一步分析不良导体的导热特性，为相关领域的热工设计提供依据。

不良导体热导率的测定实验报告

一、实验目的

1、 了解热传导现象的基本规律。

2、 学习用稳态法测量不良导体的热导率。

3、 掌握热电偶测温的原理和方法。

二、实验原理

当物体内存在温度梯度时，热量会从高温处向低温处传递，这种现象称为热传导。对于一个厚度为 ＄d$、横截面积为 ＄S$ 的平板状不良导体，在稳定传热状态下，通过该导体的热流量 ＄Q$ 与导体两侧的温度差 ＄＼Delta T$ 成正比，与导体的厚度 ＄d$ 成反比，与导体的热导率 ＄＼lambda$ 成正比，即：

＄Q ＝ ＼frac{＼lambda S ＼Delta T}｛d}＄

如果在一段时间 ＄＼Delta t$ 内通过导体的热量为 ＄Q$，则热导率

＄＼lambda$ 可表示为：

＄＼lambda ＝ ＼frac{Qd}｛S\Delta T ＼Delta t}＄

在本实验中，采用稳态法测量热导率。将待测的不良导体样品制成平板状，放置在加热盘和散热盘之间。加热盘通过电热丝加热，使热量通过样品传递到散热盘。当加热盘和散热盘的温度稳定后，样品内的传热达到稳定状态，此时通过样品的热流量等于散热盘在单位时间内散失的热量。

散热盘在稳定温度下的散热速率可以通过测量散热盘的冷却曲线来确定。当散热盘的温度高于环境温度时，它会向周围环境散热，其散热速率与散热盘的温度和环境温度之差成正比。

三、实验仪器

1、 热导率测定仪：包括加热盘、散热盘、热电偶、数字电压表等。

2、 秒表

3、 游标卡尺

4、 电子天平

四、实验步骤

1、 用游标卡尺测量样品的厚度 ＄d$ 和直径 ＄D$，计算出样品的横截面积 ＄S ＝ ＼frac{＼pi D^2}｛4}＄ ，用电子天平称出样品的质量

＄m$ 。

2、 将样品放在加热盘和散热盘之间，安装好热电偶，确保热电偶的测量端与样品良好接触。

3、 接通电源，调节加热功率，使加热盘和散热盘的温度逐渐升高。观察数字电压表的读数，当加热盘和散热盘的温度稳定后（温度变化在一定时间内小于 ＄01^｛＼circ}C$），记录此时加热盘和散热盘的温度 ＄T_1$ 和 ＄T_2$ 。 4、 切断加热电源，让散热盘自然冷却。同时，每隔一定时间记录散热盘的温度 ＄T$ 和对应的时间 ＄t$ ，直到散热盘的温度接近环境温度。

魏莎莎等：恒流法测量不良导体热导率的局隈性及改进方法的探讨　恒流法测量不良导体热导率的局限性及改进方法的探讨　Ｔｈｅ　Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｆｌｏｗ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　．　Ｐｏｏｒ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　魏莎莎　刘仕宽　陈　扬　（华北煤炭医学院，河北唐山０６３０００）　摘要：本文从理论和实验的角度分析了恒流法测量材料热物理性质的局限性，指出用恒流法瞬态测量热的不良导体的热导率是不适宜的，并给出　了一种初步的改进方案。　关键词：恒流法；不良导体；热导率　１概述　恒流法也称常功率法，是指用热流强度ｑ不随时间　变化的平面热源加热，在加热升温的过程中，瞬态测量满　足半无限大一维传热的试件材料热物理性质的一种方　法。文献叙述了这种方法的基本原理、计算公式及用于　测量热扩散系数口的实例。恒流法与脉冲法一样同属瞬　态测量。另外，测量材料等热导率还可采用稳态测量法。　我们在热导率测量的实验研究中发现：对同一种材　料采用不同方法进行测量时，测试结果之间的一致程度　与材料性质有关。具体来说，材料的结构致密或导热性　好时，测试结果较为一致；而材料为疏松多孔结构或导热　性差时，测试结果之间则存在一定差异，尤其是采用恒流　法的测试结果与另外两种方法之间的差异更为显著。以　制冷工程中常用的保温隔热材料硬质聚氨酯泡沫塑料　（密度为４０．７ｋｇ／ｍ　）为例，我们采用不同方法的测试结　果如表１所示　表１　聚氨酯硬泡沫塑料用三种测量方法测量结果的比较　

从以上数据可见，脉冲法与稳态法的测试结果较为　一致，而恒流法测量值总是大于稳态法和脉冲法的测量　值。　２出现差异原因的分析　．　为了深人了解出现上述差异的原因，我们作了较长　时间的探索。在这一过程中，我们注意到恒流法的测量　原理是基于以下一维半无限大传热方程：　Ｆ－＂－　‘　Ｏ（ｘ，ｔ）＝　‘√罟　（Ｙ）　（１）　，∞　式中，Ｂ（Ｙ）＝ｅ一　一２），Ｉ　ｅ一　（２）　（３）　当认为试件的加热温度变化范围不太大时，描述材　料热物理性质的物理量Ａ，口，ｃ　等均可视为常数。从而，　由（２）、（３）两式可以看出：当　＝０时，必有Ｙ＝０。因而，　由（２）式必有函数Ｂ（Ｙ）＝１。因此，可以推知，对试件中　紧贴平面热源的地方（热面），必有：　ｏ（ｏ，　）＝÷・　／　（４）　＾　Ｖ　７丁　成立。从而，用（１）、（４）两式，可以方便地算出函数：　）＝　（５）　由（５）式不难看出：在加热升温过程中，只要在同一　时刻　，分别测量出试件中轴线上　＝０处和任意位置　（　＞０）处的温度变化，即可以从（５）式计算出函数Ｂ（Ｙ）　的值。用之代人（２）式，一定能解算出Ｙ值。这样，用计　算得到的Ｙ值代人（３）式，便实现了对热扩散系数和热　导率的测量。　在这一陈述中，对同一时刻　，分别测量出试件中　轴上，　＝０（热面）和任意位置　（冷面）处的温升，在测量　操作上是可以实现的。因此，从纯数学的角度讲，计算出　Ｂ（Ｙ）应该没有什么问题。但是，从实际的物理过程上考　虑，同一时刻　，试件中　轴上　＝０处和任意位置　处这　两个不同地点的温升，与同一地点相继时刻的两个温升　不同，它没有反应传热过程的本质联系。因为　（　，　），　应当是稍前一时刻热面的能量以热运动的形式传到冷面　引起的温度变化；而　（０，￡）对应的热面的能量，要稍后　时刻才能影响到冷面。因而，由（１）、（４）两式计算　（Ｙ）　是不合适的，它没有反映出热传递具有有限速度的特点。　对热的不良导体，热传递相对缓慢，　时刻热面的热量传　到冷面，需时△　，冷面的温度当是　（　，　＋Ａｔ）与之对应，　而不是０（　，　）。所以，用（５）式计算函数　（），）的值，只　是一种近似。正是这种近似，成为用恒流法测量热的不