稳态法测不良导体的导热系数

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稳态法测量不良导体的导热系数由于温度不均匀，热量从温度高的地方向温度低的地方转移，这种现象叫做热传导。导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法进行测量。【实验目的】 1. 学习用稳态法测量不良导体的导热系数。 2. 了解物体热传导的规律。【实验原理】 1. 将厚度为h，截面积为S的物体作为待测样品，利用热源对待测样品加热，当达到稳定状态后样品温度高的一面温度为Q1，温度低的一面温度为Q2。设在时间Δt内，由温度高的一面传向温度低的一面的热量为ΔQ。实验证明，传递的热量ΔQ与样品截面积S的大小及温度梯度（θ1-θ2）/h和时间Δt成正比，即 ΔQ=λSΔt（θ1-θ2）/h 将上述公式改写成傅里叶导热方程式即热传导的基本公式 hStQ21θθλ−=ΔΔ （1）

式中tQΔΔ为传热速率。λ为该物质的热导率，（又称导热系数），与材料性质有关。λ在数值上等于相距单位厚度的两平面，温度相差1个单位时，在单位时间内通过单位面积的热量；其单位为瓦特每米开尔文即W/（m·K）。 2. 本实验装置如图（1）所示，在支架D上先后放上圆铜盘P、待测样品（圆盘形橡皮板）B和厚底紫铜圆筒A。在A的上方用红外灯L加热，使样品上、下表面各维持稳定的温度，它们的数值分别用安插在A、P侧面深孔中的热电偶E来测量。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。G为双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路。数字式电压表F用以测量温差电动势。由式（1）可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为 221BBRhtQπθθλ−=ΔΔ （2）式中RB为圆盘样品的半径，hB为样品厚度。当传热达到稳定状态时，θ1和θ2温度值稳定不变。由于样品的厚度hB<

GPHLFE

DBA

图1 出热流量δQ∕δt。实验中，在读得稳定时的θ1、θ2后，即可将样品B盘移去，而使筒A的底面与铜盘P直接接触。当盘P的温度上升到高于稳定时的值θ2若干摄氏度后，再将圆筒A移开，让铜盘自然冷却。观测其温度θ随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率2|θθθ=ΔΔt，而2|θθθ=ΔΔtmc（m为黄铜盘P的质量、C=0.0917cal/g·k为其比热

容）就是黄铜盘在温度为θ2时的散热速率。但须注意，这样求出的tΔΔθ是黄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2πRP2+2πRPhP（其中RP与hP分别为黄铜盘P的半径与厚度）。然而，在观测样品稳态传热时，P盘的上面（面积为πRP2）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应修正如下： )22()2(22PPPPPPhRRhRRtmctQππππθ++ΔΔ=ΔΔ （3）将式（3）代入式（2），得： 2211)()22()2(BBPPPPRhhRhRtmcπθθθλ−++ΔΔ= （4） 3. 热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶，当温度变化范围不太大时，其温差电动势（单位为mv）与待测温度（单位为℃）的比值是一常数。因而用（4）式计算时可直接以电动势值代表温度值。【实验内容】 1. 安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶、数字毫伏计位于同一侧。热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好。热电偶冷端插在滴有硅油的细波管内，再将波管浸入冰水混合物中。 2. 根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将红外灯的电源电压升高到180～200V，加热约20min后再降至130～150V。然后，每隔2～5min读一下温度示值，如在10min内样品上、下表面温度θ1、θ2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时θ1、θ2值. 3. 移去样品，再加热。当铜盘温度比θ2高出10℃左右时，移去圆筒A，让铜盘P自然冷却。每隔30s读一次P盘的温度示值，最后选取邻近θ2的测量数据来求出冷却速率

2|θθθ=ΔΔt。 4. 样品圆盘B和铜盘P的各几何尺寸，均可用游标尺及螺旋测微计多次测量取平均。铜盘的质量已刻在铜盘上。 5. 本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.2mV，故应配用量程0～10mV、并能读到0.01 mV的数字电压表。【数据表格】 1. 观察是否达到稳定的温度分布 T(min) 0 2 4 6 …… θ1(mV)

θ2(mV) 2. 测量黄铜盘在稳态值附近的散热速率 T(s) 0 30 60 90 …… θ(mV) 3. 测量各物理量黄铜盘 m= g, C= DP=2RP= cm, hp= cm 橡皮盘 DB= cm, hb= cm 【注意事项】本实验要求得到稳定的温度分布，须等待较长时间，故要求在阅读资料的同时，先按照实验内容2的要求对样品加热。否则有可能在规定时间内完不成实验。

实验3-10测量不良导体的导热系数

实验3-7稳态法测定不良导体的导热系数

实验报告

【实验目的】

1.了解稳态的概念和实现稳态的思想和方法。

2.深刻理解稳态平板法测量材料导热系数的实验设计思想（实验中以传热率等于散热率为判别依据），掌握实验方法。

3.掌握通过散热速率测量传热速率、测量冷却速率求散热速率的间接测量思想。

4.了解运用理论分析和实验观测确定实验的最佳条件和参数的基本方法。

5.介绍热电偶的基本知识，熟练掌握电测温度的方法。

6.学会用逐差法求直线斜率。

7.学会用电子秒表测量时间。

【实验原理】

热传导也叫导热，它是指物体个部分之间或不同物体之间直接接触时由于物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递现象。热传导是靠物体内部存在的温度梯度使热量从高温区域向低温区域传递的过程。在热传导过程中，物体各部分的温度不随时间而变化-----稳态导热。在稳态导热过程中，每一个物质单元流出和流入的热量均相等-----热平衡。1882年法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶研究得出了一个热传导的基本公式-----傅里叶方程式，即：

（1）

其中h、S分别为待测物体的沿热传导方向上的高和面积，

为导热系数。由于热平衡时每一个物质单元流出和流入的热量均相等，则：

而在本实验中加热时是一面受热，散热时是上下两面，这样上式应修改为：

（2）

将（2）式代入（1）式得：

（3）

从上式可知，要达到实验目的关键是冷却速度的确定，而冷却速度的确定是用热电偶来测量的。热电偶是由不同成分的金属或合金彼此紧密接触连接成一个闭合回路。如果两接点分别处于不同的温度中，则回路中就会产生电动势，该电动势称为温差电动势或热电动势，同时把这种现象称作热电效应。这种电路被称为温差电偶或热电偶。本实验采用的是铜--康铜金属丝热电偶测量温度的变化。由于温度变化在本实验中可认为是线性变化。所以可直接用电动势值来代替温度的变化。这样（3）式可改写为：

稳态法测量导热系数

- 1 - 稳态法测量导热系数

TC—3型导热系数测定仪

杭州富阳精科仪器有限公司

（原杭州富阳电表厂）实验讲义 - 2 - 导热系数的测量

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与含杂志等因素都会对导热

数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过试验来具体测定。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，另一类为动态法。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布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本试验采用稳态进行测量。

【试验目的】

用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。

【试验原理】

根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1>T2）,若平面面积为S,在△t时间内通过面积S的热量△Q满足下述表达式:

Qt=S12TTh (1)

式中Qt为热流量,即为该物质的热导率(又称作导热系数),在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是W11mk。本试验仪器如图所示：

图 1 稳态法测定导热系数试验组装图

在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待侧样品B（圆盘形的不良导体），再把带发

热器的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A传到B盘，在传到P盘，由于A、P

稳态法测量不良导体导热系数

学号：100441731 徐坦迪中欧106041A

摘要：导热系数是反映材料导热性能的物理量，在加热器、散热器、导热管道、冰箱制造、建筑保温隔热设计等领域都涉及该设计参数。材料的导热系数与材料的容量、空隙率、湿度、温度等因素有关，小于0.25W/m·K的材料为绝热材料。导热系数的测量方法有稳态法和动态法两类，本实验采用稳态法。

关键词：稳态法导热系数热流量比热容冷却速率

Steady method for measuring the poor

conductor coefficient of thermal conductivity

Abstract: the coefficient of thermal conductivity is reflect material thermal

conductivity physical quantities, in the heater, radiator, thermal pipe,

refrigerator manufacture, construction insulation design, and other fields involve

the design parameters. The thermal conductivity of materials and the capacity of

the materials, pore ratio and other factors, such as temperature, humidity, less

than 0.25 W/m k. materials for insulation. Coefficient of thermal conductivity

measurement method is steady method and dynamic method two kinds, this experiment

稳态法测量导热系数 2