非稳态平面热源法同时测量材料的导热系数和热扩散率

平面热源法导热系数和热扩散率虚实结合实验教学平台许兆峰;李辉;刘志颖;王东泽;刘培;姜培学【摘要】非稳态平面热源法导热系数和热扩散率虚实结合实验教学平台,包括实体装置和虚拟仿真系统两部分.实体装置利用非稳态平面热源法测定导热系数和热扩散率,采用触摸屏系统进行控制、数据采集和人机交互,可使学生认识客观现象,提高动手能力,强化实验技能.虚拟仿真实验系统与实体装置互补,并增加了试样空间温度场动态分布云图,可实现学生在线自主性实验研究.该虚实结合实验教学平台极大地提高了实验教学的质量和效率.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】4页(P235-237,251)【关键词】导热系数;热扩散率;非稳态;虚实结合;平面热源法【作者】许兆峰;李辉;刘志颖;王东泽;刘培;姜培学【作者单位】清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心,北京100084;清华大学能源与动力工程系,北京 100084;清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心,北京 100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084;清华大学能源与动力工程系,北京 100084;清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心,北京 100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084;清华大学能源与动力工程系,北京 100084;清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心,北京 100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084;清华大学能源与动力工程系,北京100084;清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心,北京 100084;清华大学能源与动力工程系,北京 100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084;清华大学能源与动力工程系,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】G642.423导热系数是能源类基础课程“传热学”中的重要概念,是衡量材料传热特性的重要指标,掌握导热系数的求解过程和测试方法是该门课程的基本要求。

非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。

2．快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。

3、掌握使用热电偶测量温差的方法。

二、实验测试原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。

设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（如下图所示）。

根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)可由下面方程组解得；方程组的解为：式中：τ——时间；λ——平板的导热系数；α——平板的导温系数；t 0——初始温度； —傅立叶准则；δβμn n = ，n=1，2，3…；q c ——沿X 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。

随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。

当F 0＞0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成（2） 0),0(0),()0,(),(),(022=∂∂=+∂∂=∂∂=∂∂xt q x t t x t x x t a x t cτλτδτττ)1()]exp(cos(2)1(63[),(2211220o n n nn n c F x x q t x t μδμμδδδδατλτ--+--=-+∞=∑)612(),(222-+=-δδατλδτx q t x t c o 2δατ=F由此可见，当F 0＞0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。

这种状态即为准稳态。

在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为：平板加热面X=δ处为：此两面的温差为： （3） 已知q c 和δ，再测出△t ，就可以由式（3）求出导热系数：（4）实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。

稳态法测量固体的导热系数实验与分析作者：范淑媛罗裕波来源：《中国教育技术装备》2023年第18期摘要用稳态法装置测量有机玻璃和石英玻璃的导热系数，分析发现采用该方法的实验结果重复性好、精度高且实验方法更简单，同时发现在测量较薄的试样时，测量值会偏大，和其他稳态法测量的规律不同。

关键词导热系数；热传导；稳态法；实验中图分类号：G642.423 文献标识码：B文章编号：1671-489X（2023）18-0127-04Experimental Measurement and Analysis of Thermal Conductivity of Solid by Steady-State Heat Flow Method//FAN Shuyuan，LUO Yubo0 引言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、分子圍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。

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、湿度及杂质含量相关。

导热系数是表征材料热传导能力大小的物理量[1]，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。

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[2]。

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[3]。

非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布是随时间变化的，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[4]。

非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验非稳态(准稳态)法是一种测量材料导热性能的实验方法，它通过在材料的一侧施加热量，测量另一侧的热流量来计算材料的导热系数。

这种方法相对于稳态法，具有设备简单、操作方便、测量速度快等优点。

下面是关于非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验的详细描述。

一、实验目的本实验的目的是通过非稳态(准稳态)法测量材料的导热性能，包括导热系数、热扩散系数和比热容等参数。

这些参数对于材料的热设计、能源利用和工程应用具有重要意义。

二、实验原理非稳态(准稳态)法基于热传导的傅里叶定律，其基本公式为：q=-k AΔT/L，其中q为热流量，k为导热系数，A为传热面积，ΔT为两侧温度差，L为材料的厚度。

在实验中，通过测量材料的传热面积和两侧温度差，可以计算出材料的导热系数。

三、实验步骤1.准备材料：选择待测材料，并准备相应的支架、加热器和温度传感器等设备。

2.安装样品：将待测材料放置在支架上，将加热器和温度传感器分别与材料的两侧接触，并固定好。

3.开始测量：打开加热器，使加热器输出的热量均匀地施加到材料的左侧，同时使用温度传感器测量材料的右侧温度。

记录下加热时间和温度变化。

4.数据处理：根据测量的数据，绘制温度随时间变化的曲线。

通过曲线可以计算出材料的导热系数、热扩散系数和比热容等参数。

四、实验结果与分析通过实验测量和数据处理，我们可以得到待测材料的导热系数、热扩散系数和比热容等参数。

这些参数可以用来评估材料的导热性能和热特性。

例如，导热系数高的材料可以更好地传递热量，适用于需要高效散热的场合；比热容大的材料可以吸收更多的热量，适用于需要储存和释放热量的场合。

在分析实验结果时，需要注意以下几点：1.实验结果的准确性受到多种因素的影响，如测量设备的精度、环境温度和湿度等。

因此，需要对实验结果进行误差分析，以确定其可信度。

2.对于不同种类的材料，其导热性能和热特性可能存在差异。

因此，需要对不同种类的材料进行分别测量和分析。

建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：建筑用材料的导热系数和热扩散系数是评价材料隔热性能的重要参数之一，对于建筑物的保温和节能效果起着关键作用。

为了准确测定建筑材料的导热系数和热扩散系数，研究人员设计了一种全新的测试方法——瞬态平面热源测试法。

瞬态平面热源测试法是一种基于热传导原理的新型测量技术，通过在材料表面施加瞬态热源，观察材料中温度的变化情况，从而计算出材料的导热系数和热扩散系数。

相比传统的试样厚度等不同形式的热传导试验方法，瞬态平面热源测试法有以下优点：瞬态平面热源测试法采用平面热源施加在材料表面，能够模拟实际建筑中的热传导情况，更加贴近实际使用环境，提高了测试的准确性和可靠性。

瞬态平面热源测试法的测试过程简单方便，不需要复杂的试样制备过程，减少了实验中的人为误差。

测试时间较短，可以快速得到建筑材料的热传导参数，提高了研究效率。

瞬态平面热源测试法可以实现对不同材料的导热系数和热扩散系数的高精度测量。

根据瞬态热源施加后材料表面温度的变化情况，可以更加准确地计算出材料的热传导性能，为建筑设计和材料选择提供了重要参考。

瞬态平面热源测试法在建筑材料热传导性能研究中的应用广泛。

通过对不同种类及厚度的建筑材料进行瞬态平面热源测试，可以评估材料的隔热性能，指导建筑节能设计和保温材料的选择。

在新型建筑材料的研发过程中，瞬态平面热源测试法也可以用于评估材料的热传导性能，为材料的改良和优化提供科学依据。

瞬态平面热源测试法是一种有效的建筑材料导热系数和热扩散系数测量方法，具有测试准确、简便快捷、精度高等优点。

在建筑保温节能领域具有广泛的应用前景，将为建筑材料性能评估和建筑节能设计提供重要支持。

期待瞬态平面热源测试法的进一步研究和应用，为建筑行业的可持续发展做出贡献。

第二篇示例：建筑用材料的导热系数和热扩散系数是衡量建筑材料热传导性能的重要指标，它们直接影响建筑物的隔热性能和节能效果。

常功率热源法测定导热系数实验报告传热学实验报告周浩工物52 2015011685实验日期：2017年12月21日常功率平面热源法导热系数及热扩散率测试实验一、实验目的1.巩固和深化对非稳态导热理论的理解，更直观地认识非稳态导热过程中温度的变化；2.学习用常功率平面热源法同时测定绝热材料的导热系数λ和热扩散率a 的实验方法和技能；3.掌握获得非稳态温度场的方法；4.加深理解导热系数λ和热扩散率a 对温度场的影响。

二、实验装置及原理图1实验装置及原理图图2实验装置简图非稳态导热基本理论，在初始温度分布均匀的半无限大的物体中，从起，半无限大的物体表面受均匀分布的平面热源的作用，在常物性条件下，离表面x处的温度升高式中和是材料的导热系数和热扩散率，是变量的高斯误差补偿函数的一次积分，可以查表得出数值。

且在时，有于是有：分别测定时刻处与时刻处的温升，根据上式就有：上式左边是可以测量的量，通过查表就可以的到的值，进而算出相当于在平均温度的热扩散率。

再代入式子，可求出导热系数λ。

三、实验方法及步骤1.测出试材的厚度x1 [mm]；2.安装热电偶及试材。

将热电偶1 贴在加热片与试材□ 之间的中间位置处，热电偶2 贴在试材□ 的上表面中间位置处，热电偶3 和4 贴在试材□ 上表面和试材□ 下表面的中间位置处。

组装好试材，关闭试材罩；3.仔细检查各接线线路和热电偶测量线路；4.记录实验箱编号、加热面积F 以便计算平面热源功率。

记录t2测点距热源距离x1,记录初始时刻的t1、t2、t3、t4；四、实验数据及处理1.材料I海绵的厚度加热功率热流密度2.、、、记录数据表1实验数据记录根据上表1计算容易得到:3.根据实验结果画图:图3温度和随时间的变化曲线图4导热系数随时间的变化曲线图5热扩散系数随时间的变化曲线分析图4、5:实验中由于加热功率恒定，所以热流密度,由图3可知随时间不断变大，后趋于稳定，由可知，随着时间不断变小，后趋于稳定。

建筑材料保温砂浆导热系数测试方法分析摘要：本文首先简要阐述了隔热砂浆和样品制作，进而分别从热流计法、防护热板法、水流量平板法、瞬态平面热源法、瞬态热线法、激光脉冲法等几个方面对导热系数测试方法展开分析，旨在合理应用测试方法，获取得到更为准确可靠的保温砂浆导热系数，从而保证工程质量。

关键词：建筑材料；保温砂浆；导热系数引言：在各种节能环保型的建筑材料中，导热系数是一种重要的技术衡量指标，是表现材料热传递性能的主要参数，指标检测是否准确将会直接反映材料性能，由此可见，想要更好地了解材料特点，则需要灵活应用测试方法，并对测试过程加以把控，促使检测数据更加精准、可靠。

一、隔热砂浆和样品制作伴随着各种现代信息技术的应用和普及，各行各业都出现了诸多变革，建筑行业也开始进入快速发展时期，人们对于住宅的居住品质也提出了更高的要求，为了提高室内环境舒适度、提高能源使用效率，现如今开始设计研发出越来越多的新型材料，并慢慢应用于建筑工程中，保温砂浆便是近年来应用较为广泛的一种新型建材。

保温浆纱基于多种轻质材料，将水泥视作胶凝料，并适当添加一些改性添加剂，可以直接应用于建筑外墙保温中，具有良好的应用效果，市面上主要有两种保温砂浆，第一种保温砂浆是有机保温砂浆，另外一种保温砂浆即为无机保温砂浆，无论应用哪一种保温砂浆均具有多种应用优势。

对于保温砂浆，评价指标多样，导热系数便是其中一种较为重要的物理性能参数，保温砂浆的应用性能将会受到多种因素影响，无论是砂浆温度变化，还是硬化状态、干燥状态，都有可能促使导热系数出现增加，导热系数测试方法也十分多样，促使建筑材料保温砂浆导热系数测试评价也略显混乱，采用不同的测试方式，最终形成的测试结果也出现很大差别，为了科学评价，进一步提高测试精确性，本文则对建筑材料保温砂浆导热系数测试方法展开分析，将稳态测试方法和非稳态测试方法进行分析，旨在有效探求和识别保温砂浆导热系数。

本次研究主要对两种保温砂浆进行性能评估，第一种保温砂浆是工业保温砂浆，本身添加发泡聚苯乙烯颗粒。

脉冲式平面热源法测量材料热导率和热扩散率的分析与实验于帆; 张欣欣【期刊名称】《《化工学报》》【年(卷),期】2019(070)0z2【总页数】6页(P70-75)【关键词】测量; 热传导; 传热; 热导率; 热扩散率; 脉冲式平面热源法【作者】于帆; 张欣欣【作者单位】北京科技大学能源与环境工程学院北京100083【正文语种】中文【中图分类】TK 311引言热导率、热扩散率和比热容是物质重要的热物理性质参数，热导率的测量方法一般可分为稳态法和非稳态法两大类。

稳态法的实验公式简单，但试样温度达到稳定时的时间较长，常用的稳态法有热流计法（heat flow meter）和防护热板法（guarded hot plate），国内外都已形成相应的测试技术标准[1-4]。

非稳态法指的是实验测量过程中试样温度随时间变化，测量原理是对处于热平衡状态的试样施加某种热干扰，同时测量试样对热干扰的温度响应，然后根据响应曲线来确定热物性参数，一般可分别或同时得出热导率、体积热容，以及组合参数如热扩散率、蓄热系数等[5-6]。

目前主要的材料热物性接触式非稳态测量方法有热线法(transienthot-wire)[7-9]、热探针法(non-steady state probe)[10-11]、热带法(transient hot-strip)[12-13]、热盘法(transient plane source hot-disc)[14-15]、阶跃式平面热源法(plane source-stepwise transient)[16-19]及脉冲式平面热源法(plane source-pulse transient)[20-24]。

脉冲式平面热源法可用于常温或高温下测试均质固体材料、非均质材料以及复合材料等物质，且有较宽的热导率测试范围。

只需在施加脉冲热流的同时，测量出试样内某点的温度响应曲线就可同时计算出材料的热导率和热扩散率以及体积热容等热物性参数。