不良导体导热系数的测量

不良导体导热系数的测定一、实验目的1、 了解热传导现象的物理过程2、 学习用稳态平板法测量材料的导热系数3、 掌握—种用热电转换方式进行温度测量的方法二、实验仪器导热系数测定仪、游标卡尺等三、实验原理1、如果热量是沿着Z 方向传导，那么在Z 轴上任一位置Z 0 处取一个垂直截面积dS ，以dz dT 表示在Z 处的温度梯度，以dtdQ 表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积d S 的热量），那么传导定律可表示成：dS dz dT dt dQ Z 0)(λ-= （1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。

式中比例系数λ即为导热系数。

可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时内垂直通过单位面积截面的热量。

可见，只要测量出样品的温度梯度和传热速率，及垂直于传热方向上样品的面积，即可求出该样品的导热系数。

2、YBF 一3导热系数测试仪实验原理 实验装置如右图，把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间，使两块铜板分别保持在恒定温度T 1和T 2，就可能在垂直于样品 表面的方向上形成温度的梯度分布。

样品厚度可做成h ≤D （样品直径）。

这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。

由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。

这样只要测出样品的厚度h 和两块铜板的温度T 1、T 2 ，就可以确定样品内的温度梯度。

为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜块，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。

当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡状态，称之为稳态。

此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。

这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度T 2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。

不良导体导热系数的测量数据及处理.doc
不良导体导热系数的测量是分析材料物理特性的一个重要方法，即材料在不同温度下传热过程中释放的热量，因此，测量和分析不良导体导热系数对研究和生产过程中对导热性能有着重要的意义。

在不良导热体的测量过程中，采用的是基于定温蒸发的测量方法，这种方法不需要控制热源，测量过程中只需要控制源温度即可。

测量方法的基本过程是：首先，将测量的不良导热体样品装入热浴容器中，然后给源温度设定一个定量的值，然后用仪表衡量样品的表面温度，控制热源温度，观察源温度与样品表面温度的变化特性，以此来获取样品的导热系数。

在不良导热体导热系数测量数据处理过程中，首先将测量的表面温度和源温度数据录入到计算机中，以绘制出源温度和表面温度变化的曲线，对曲线进行分析，以此来求出不同表面温度下的源温度保持稳定所需要的给源量。

然后，通过一阶函数计算出一组有关系式，根据有关系式计算出该样品的导热系数。

最后，检查测量偏差并书写报告。

不良导体导热系数的测量和处理是对外部热源对样品表面温度影响的一种重要的分析方法，不仅在生产过程中具有实用的价值，而且在科学研究领域也有着广泛的应用。

测量不良导体的导热系数林一仙 一 实验目的1、 用稳态平板法测量不良导体的导热系数2、 用物体的散热速率求传热速率3、 掌握热电偶测量温度的方法 二 实验仪器导热系数仪、杜瓦瓶，热电偶、FPZ-1型多量程直流数字电压表、游标卡尺、停表 三 实验原理 （一） 稳态平板法ht Q 21θθλ-A =∆∆ tQ∆∆为热流量，λ为该物质的导热系数，也称热导率，h-样品厚度， A-样品面积。

所谓稳态指的是高温物体传热的速率等于低温物体散热的速率时，系统便处于一个稳定的热平衡状态。

（二） 实验装置及方法d ht Q 2142πθθλ-=∆∆A- 加热铜盘，P-散热铜盘；d-样品盘的直径，h-样品盘的厚度；θ1-加热铜盘的温度，θ2-散热铜盘的温度。

（三） 冷却法测量散热铜盘的散热速率∵ dt d t Q c m P P θ=∆∆散 ；dtd θ 是曲线在θ2点的斜率，如下图∴ ()dtd h d c m P P θθθπλ2124-= 四 实验内容及步骤1、测量样品盘的厚度h 和直径d ，并记录散热铜盘的质量。

2、调节支架上的三个螺丝使它往下降一部份，将散热铜盘放在它的上面，再往上放样品盘，然后将加热器放在样品盘上面，使三个盘紧密接触，然后把加热器固定，再用三个螺丝往上拧，使整个系统固定不动。

3、将热电偶的插头分别插入两对孔中，并打开毫伏计（要调零）判断热端冷端，将热端分别插入加热铜盘和散热铜盘，冷端插入杜瓦瓶中。

4、用220v 电压加热15分钟，再用110v 加热同时打开风扇，大约半小时后每隔壁5分钟观察θ1、θ2的值各一次，直到观察到连续两组的数值不变即可认为系统达到稳态，记录这组数据。

5、重新用220v 电压加热同时关掉风扇，观察θ2的变化，当达到 θ2+0.2mv 时停止加热并移开加热器同时打开风扇。

观察θ2的变化当温度回落到θ2+0.2mv 时开始每隔壁30秒读一次数据直到θ2-0.2mv ，关掉风扇即完成此次操作。

不良导体导热系数的测定热量的传递一般分为三种: 热传导、热对流、以及热辐射。

其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。

从微观上说, 热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说, 它是由于物体内部存在温度梯度, 而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。

不同物体的导热性能各不相同, 导热性能较好的物体称为良热导体, 导热性能较差的物体称为不良热导体。

定量描述物体导热性能的物理量是导热系数, 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。

导热系数是描述材料性能的一个重要参数, 在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数, 而且通过研究物质的导热系数, 还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。

所以, 导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。

在科学实验和工程设计中, 所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。

其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。

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。

非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的, 变化规律不仅受实验条件的影响, 还与待测样品的导热系数有关。

本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。

【预备问题】① 如何判断不良导体中的导热过程达到了稳定？ ② 不良导体样品盘的厚度对测量结果有影响吗？③ 如果测量高低温热源温度所分别使用的温度计读数有偏差, 将会产生什么样的影响？有什么办法消除或减小影响？【引言】1. 热传导定律当物体内部各处的温度不均匀时, 就会有热量从温度较高处传递到温度较低处, 这种现象叫热传导现象。

早在1882年著名物理学家傅立叶（Fourier ）就提出了热传导的定律: 若在垂直于热传播方向x 上作一截面△S, 以 表示 处的温度梯度, 那么在时间△t 内通过截面积△S 所传递的热量△Q 为S dx d t Q x ∆⎪⎭⎫⎝⎛-=∆∆0θλ （3.14.1） 式（3.14.1）中 为传热速率, 负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处, 与温度梯度方向相反。

不良导体导热系数的测量本实验的目的是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。

导热系数的最终计算公式为：式中m 铜——散热盘A 的质量c 铜——黄铜比热容，值212(2)2()()B B m c h R h dT R T T R h dtλπ+=⋅-+A A 铜铜A A 为793 J/kg ·K R A ——散热盘A 的半径h A ——散热盘A 的厚度R B ——样品盘B 的半径h B ——样品盘B 的厚度T 1——达到稳态后加热盘C 的温度T 2——达到稳态后散热盘A 的温度dT dt——散热盘A 在T 2附近的冷却速率【实验内容】1、自拟数据表格，用游标卡尺测量散热盘A 的直径及厚度，数据应多次测量，并求出平均值R A 、h A 。

散热盘A 侧面有编号，根据编号记录相应的质量m 铜。

2、由于样品盘B 直径不易测量，默认直径与散热盘A 相同，即R B =R A 。

3、确认控制器电源处于关闭状态后，将3个测微头示数旋至大于10mm ，安装加热盘C ，并通过手拧螺丝紧固。

放置散热盘A ，再将样品盘B 放在加热盘C 与散热盘A 中间，样品盘B 要求与加热盘C 、散热盘A 完全对准。

调节底部的3个测微头，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧。

4、记录3个测微头的示数h B1、h B2、h B3。

5、将Pt100和半导体传感器分别插到加热盘C和散热盘A的小孔中。

为确保传感器与加热盘和散热盘接触良好，必要时涂上一些导热硅脂。

6、确认接线正确、完整后，打开控制器电源，设置目标温度为70℃。

加热盘即开始加热。

同时打开风扇，形成稳定的散热环境。

7、加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在5分钟或更长的时间内散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了，该实验中约为55℃。

记录温度值T2。

8、将半导体传感器插到加热盘的小孔中，测量温度值T1。

实验报告一、实验题目：不良导体导热系数的测量二、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。

三、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，其比例系数为热导系数或导热率，即dQ dTdS dt dxλ=- 其中dQ dt 为传热速率，dTdx是与面积相垂直的方向上的温度梯度，“—”表示热量从高温区域传向低温区域， λ是导热系数，表示物体导热能力的大小。

2、不良导体导热系数的测量厚度为B h 、截面面积为B S 的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘A 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11B BT T dQS dt h λ-=- （1） 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dQ dt。

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。

物体的散热速率应与它们的散热面积成正比，即'A A A A A A R (R 2h )dQ dQ dt R (2R 2h )dtππ+=⋅+式中'dQ dt为盘自由散热速率。

而对于温度均匀的物体，有'dQ dT mc dt dt =。

这样，就有A A A A Cu A A A R (R 2h )dQ dT=m c dt R (2R 2h )dtππ+⋅+ （2） 比较（1）和（2）式，可以求出导热系数为A CuB A A 2B A A 12m c h (R 2h )dT=2R (R h )(T -T )dtλπ+⋅+ （3）四、实验内容1、观察和认识传热现象、过程及其规律： （1）自拟数据表格，用卡尺测量铜盘A 和样品B 的厚度及其直径，并求出平均值和误差（各测三次）；（2）熟悉各仪表的使用方法，并按书上的图示连接好仪器；（3）接通调压器电源，将红外灯升压，使其从零缓慢升至200V 。