下载文档原格式
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（ 1786——1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解析理论》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：T grad q λ-=此即傅里叶热传导定律，其中q 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），λ是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， λ在数值上等于每单位长度温度降低1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是11K m W --∙∙ 。
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。
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。
【实验目的】1．了解热传导现象的物理过程。
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。
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。
固体导热系数的测量Measurement of thermalconductivity of solid摘要：导热系数是表征物质热传导性质的物理量，对保温材料要求其导热系数尽量小，对散热材料要求其导热系数尽量大。
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，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。
Abstract:Material thermal conductivity is characterized by physical properties of thermal conductivity of insulation material requirements of its thermal conductivity as small as possible, on the cooling requirements of its thermal conductivity material as large as possible.Method of measuring thermal conductivity of more, but the basic method can be grouped into two categories: one is the steady state, and the other for the dynamic method.Steady-state method, first with the heat source to heat the test sample and the sample to form a stable internal temperature distribution, and then measured in the dynamic method, the temperature distribution in the sample is changing with time, for example, by cycle of change.关键词：物质热传导性质稳态法温度分布Key words: material properties of steady state heat conduction temperature distribution引言：测量导热系数的方法比较多，可以归纳为两类基本的方法，一类是稳态法，另一类为动态法。
稳态法导热系数测量实验报告实验目的：利用稳态法测量材料的导热系数。
实验原理：稳态法是一种测量物质导热性质的方法，利用稳定的热传导过程来确定材料的导热系数。
稳态法的基本原理是根据热传导定律，当热传导达到稳定时，各层的热流量相等。
根据热传导定律可以得到以下公式：q = k * A * (T2 - T1) / d其中，q为单位时间内通过材料某一横截面的热流量，k为材料的导热系数，A为热流通过的横截面积，T1为热流起点的温度，T2为热流终点的温度，d为热流的传播距离。
实验步骤：1. 准备实验装置，将待测材料样品剪制成适当大小，并用绝缘材料包裹，以减少热流的散失。
2. 将样品放置在导热盘上，保证样品与导热盘接触良好。
3. 通过电源调节导热盘的加热功率，使得样品上下两侧的温度差较大，但保持稳定。
4. 使用热电偶测量样品上下两侧的温度，记录两侧温度差ΔT。
5. 测量导热盘的尺寸并计算出热流通过的横截面积A。
6. 根据公式q = k * A * ΔT / d，计算出材料的导热系数k。
实验结果：根据实验数据计算出材料的导热系数k。
实验讨论：分析实验结果，讨论实验误差及其可能的来源。
结论：根据实验结果和讨论，得出关于材料导热系数的结论，并对实验进行总结。
实验注意事项：1. 实验中要保持恒定的外部环境温度，以减少外界因素对实验结果的影响。
2. 导热盘加热时要注意控制加热功率，避免样品温度过高导致结果不准确。
3. 热电偶要保持良好的接触，避免温度测量误差。
4. 实验结束后要将实验装置清理干净，保养各种仪器设备。
参考文献：[1] xxxx. 热传导与导热系数测量实验报告[M]. 北京：xx出版社，2000.以上是稳态法导热系数测量实验报告的基本内容，具体根据实验的具体要求和实验数据进行修改和补充。
固体导热系数的测定实验报告学生物理实验报告实验名称固体导热系数的测定学院专业班级报告人学号同组人学号理论课任课教师实验课指导教师实验日期报告日期实验成绩批改日期实验目的用稳态法测出不良导热体的导热系数,并与理论值进行比较.实验步骤1. 用物理天平称出散热盘（铜盘）P的质量m，单次测量，其比热容：C=3.8×102J/kg·ºC。
2. 用游标卡尺分别测出样品盘（橡皮）B铜盘P的直径和厚度h各测六次，然后取平均值。
3. 联线。
如实验装置图4-9-1所示，发热盘A和散热盘P的侧面都有供安插热电偶的小孔，放置仪器时，此两孔都应与杜瓦瓶在同一侧。
以免线路错乱。
将橡皮样品B放入发热盘A与散热盘C之间，在杜瓦瓶中放入冰水混合物，热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测量端与铜盘接触良好。
将一对热电偶的热端（红线端）插入到发热盘A的小孔中，冷端插入杜瓦瓶中的细玻璃管中，与导热系数测量仪联接。
另一对热电偶的热端插入到散热盘C的小孔中，冷端插入杜瓦瓶中的另一细玻璃管中，与导热系数测量仪联接。
它们的输出端分别接在控制面板上的“测1”、“测2”插孔中，通过“测1”、“测2”转换开关接到数字电压表上。
mv 表输出端短路，调节的调零旋钮，调零、FD—FP2—II型导热系数电压表并与导热系数测量仪联接。
4. 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T=3.5mv即可将开关效率，可先将电源电压开关K拔至高档220V，开始加热，待1改用低档110V，开风扇，待上升至4.5mv左右时，关电源。
通过手控调节电热板开T读数变化在±0.03mv范围内。
然后每隔关K，K的电压220v或110v或0v檔，使12分钟读一次数字电压表上的相应温度示值，如此反复，如在3min内样品上、下表T、面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳态状态。
将切换开关拨向测2，测出1T2温度。
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（J.B.J.Fourier 1786——1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解析理论》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：T grad q λ-=此即傅里叶热传导定律，其中q 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），λ是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， λ在数值上等于每单位长度温度降低1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是11K m W --∙∙ 。
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。
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。
学生物理实验报告实验名称固体导热系数的测定学院专业班级报告人学号同组人学号理论课任课教师实验课指导教师实验日期报告日期实验成绩批改日期实验目的用稳态法测出不良导热体的导热系数,并与理论值进行比较 .实验仪器1.数字毫伏表一般量程为20mV 。
3 位半的 LED 显示，分辨率为10uV 左右，具有极性自动转换功能。
2.导热系数测量仪一种测量导热系数的仪器，可用稳态发测量不良导体，金属气体的导热系数，散热盘参数实验原理傅里叶在研究了固体的热传定律后，建立了导热定律。
他指出，当物体的内部有温度梯度存在时，热量将从高温处传向低温处。
如果在物体内部取两个垂直于热传导方向，彼此相距为h 的两个平面，其面积元为D，温度分别为T1和T2，则有dQ= –dTdS式中dQ为导热速率，dtdTdx为与面积元dS相垂直方向的温度梯度，“—”表示热量由高dt dx温区域传向低温区域，即为导热系数，是一种物性参数，表征的是材料导热性能的优劣，其单位为W/(m ·K)，对于各项异性材料，各个方向的导热系数是不同的，常要用张量来表示。
如图所示， A 、C 是传热盘和散热盘， B 为样品盘，设样品盘的厚度为h B,上下表面的面积各为 S B=R B2，维持上下表面有稳定的温度T1和 T2，这时通过样品的导热速率为dQ =–T1T2S Bdt h B在稳定导热条件下（T1和 T2值恒定不变）T 1冰水混合物A B CT 2测 1测 1表测 2 风扇220V 电源110V输入数字电压表调零测 2导热系数测定仪FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表图 4-9-1稳态法测定导热系数实验装置图可以认为：通过待测样品 B 的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等，则可以通过铜盘 C 在稳定温度 T 2 附近的散热速率Qt T，求出样品的导热速率dQ。
t2dt在稳定传热时， C 散热盘的外表面积π R c 2 +2 πR c h c ，移去 A 盘后， C 盘的散热外表面积 2 R C 2 2 R C h C因为物体的散热速率与散热面积成正比，dQ R C ( R c 2h c ) ? R C2h c?Q ，所以2 R C (R C h c )2(R Ct dtth C )由比热容定义Q mc ?dTm C ? C C dT ，tdt U U dt所以，dQ R C 2h c dTmC u?2(R C h C )?，dtdt所以，m C UC C uh B( RC2h C)dTR B 2 (R Ch C )(T 1 T 2 )dt实验步骤1.用物理天平称出散热盘（铜盘） P 的质量 m ，单次测量，其比热容： C=3.8 ×10 2J/kg ·o C。
3.5固体的导热系数的测定【实验目的】1.学习用稳态法测固体导热系数，了解其测量条件。
2.学习实验中如何将传热速率的测量转化为散热速率的测量方法。
3.学会用作图法处理数据。
【实验内容与步骤】1.测橡皮样品的导热系数1.1用游标卡尺测出橡皮样品的直径和厚度，多次测量求其平均值，记下散热盘的几何尺寸、质量（在盘上已标明），其中铜的比热容为10.385/()c KJ Kg K =⋅。
1.2将样品放在加热盘和散热盘之间，并使它们接触良好，两根热电偶分别插入加热盘和散热盘的小孔内，设定加热盘温度（60℃左右），采用自动控温对样品进行加热，待系统达到稳定导热状态，测样品上下表面的温度1ε、2ε，多次测量求平均值。
1.3移去样品，用加热盘直接对散热盘加热，待散热盘温度高于2ε若干（0.1mV ）后，移去加热盘，让散热盘在环境中自然冷却，每隔半分钟记录一次散热盘的温度，做出冷却曲线，求出2d dt εε⎛⎫ ⎪⎝⎭。
1.4计算橡皮样品的导热系数，并分析误差产生的原因。
2.测硬铝样品的导热系数2.1用游标卡尺测硬铝样品的直径和厚度，多次测量求其平均值。
2.2将硬铝样品侧面绝热，样品的上下表面周围分别套一个绝热圆环，放在加热盘和绝热盘之间，两根热电偶分别插入硬铝样品上下表面的小孔内，设定加热盘温度，采用自动控温对样品加热，待样品达到稳定导热状态，记下样品上下表面的温度1ε、2ε，然后将其中一个热电偶插入散热盘的小孔内，测出散热盘的温度3ε。
2.3移去样品，用加热盘直接对散热盘加热，待散热盘温度高出3ε若干，移去加热盘，让散热盘在环境中自然冷却，测出散热盘温度随时间的变化，作出冷却曲线，求出3d dt εε⎛⎫ ⎪⎝⎭，计算硬铝样品的导热系数。
【数据记录与处理】 表1 测橡皮样品的导热系数表2散热盘数据及冷却速率m = g ；=1R mm ；1h =mm作出ε-t 关系图，由图中2εε=点切线斜率求出2εεε=⎪⎭⎫⎝⎛dt d 并求出橡皮样品的导热系数。
