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实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数

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实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数

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的不同

对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体

测定。

测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用

热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温

度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热

和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一

温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分

布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快

慢的影响，与导热系数的大小有关。

本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率

求传导速率的实验方法。

【实验原理】

1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，

实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与

一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只

沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品

内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。

设稳态时，样品的上下平面温度分别为1θ、2θ，根据傅立叶传导方程，在时

间内通过样品的热量满足下式： tΔ

QΔ

ShtQ

B21θθλ−=ΔΔ (1)

式中λ为样品的导热系数，为样品的厚度，为样品的平面面积，实验中样品为

圆盘状，设圆盘样品的直径为,则由（1）式得： BhS

Bd 2214BBdhtQπθθλ−=ΔΔ (2)

实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P,散热

盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘

样品B,样品B上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘

是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。 C

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度1θ和2θ不变，这时可以认为加热

盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等。因此可以通过散热

盘P在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量tQΔΔ。

实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度1θ和2θ后，将样品B抽去，让加热

盘C与散热盘接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的P2θ值或者以

上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度CD20CD20

θ随时间t的下降

情况，求出散热盘在2θ时的冷却速率2θθθ

=ΔΔt，则散热盘P在2θ时的散热速率为： 2θθθ

=ΔΔ=ΔΔtmctQ (3)

其中m为散热盘P的质量，为其比热容。 c

在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与

它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积修正：

)22()2(22

2PPPPPphRRhRRtmctQππππθ

θθ++ΔΔ=ΔΔ

= (4)

其中为散热盘PRP的半径，为其厚度。 Ph由（2）式和（4）式可得：

)22()2(4222212PPPPPpBBhRRhRRtmcdhππππθπθθλθθ++ΔΔ=−

= (5)

所以样品的导热系数λ为：

14- 4 2211)(4)22()2(

2BBPPPpdhhRhRtmcπθθθλθθ−++ΔΔ== (6)

【实验仪器】

导热系数测定仪装置如图1所示,它由电加热器、铜加热盘C,橡皮样品圆盘B,

铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。

图1导热系数测定仪装置图

【实验内容】

(1) 取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、

散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调

螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；

(2) 按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，

另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并

在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良

好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。（注

意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换。） ；

(3) 接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从FDHC，然后显

示当时温度，当转换至b = =· =，用户可以设定控制温度。设置完成按“确

定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。

14- 4 (4) 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10分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以

认为已经达到稳定状态了。

(5) 按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再

设定温度到，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的CD80

2θ值左右即可。 CD20

(6) 移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10秒（或者30秒）记录一

次散热盘的温度示值，由临近2θ值的温度数据中计算冷却速率2θθθ

=ΔΔt。也可以

根据记录数据做冷却曲线，用镜尺法作曲线在2θ点的切线，根据切线斜率计算

冷却速率。

(7) 根据测量得到的稳态时的温度值1θ和2θ，以及在温度2θ时的冷却速率，由公式

2211)(4)22()2(

2BBPPPpdhhRhRtmcπθθθλθθ−++ΔΔ==计算不良导体样品的导热系数。

【注意事项】

1．为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂

或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，

为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘紧密接触，

注意不要中间有空气隙；也不要将螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。

2．导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热

比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要

打开。

【思考题】

1．应用稳态法如何是否可以测量良导体的导热系数？如可以，对实验样品有什么要

求？实验方法与测不良导体有什么区别？

2．什么是镜尺法？镜尺法画切线利用了什么原理？

14- 4

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稳态法测量不良导体导热系数

稳态法测量不良导体导热系数

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标准文案 稳态法测量不良导体导热系数

【实验目的】

1．利用物体的散热速率求传热速率。

2.（用稳态平板法测定不良导体的导热系数。）

【仪器用具】

1．导热系数测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表） 一台

2．杜瓦瓶（或低温实验仪） 一只/台

3．硬铝样品（附绝缘圆盘一块，供散热时覆盖用） 一根

4．橡皮样品 一块

5．测片 一把

【实验内容】

1．测量不良导体----橡皮样品的导热系数。

2．测量金属----硬铝测试样品的导热系数。

3．测量空气的导热系数。

【结构特性】

在使用中，样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘和圆筒加热盘之间距离和平整度的。除测量金属样品时不用圆筒固定外，其它如测橡皮和空气的导热系数时，均将圆筒的固定轴对准样品支架上的圆孔插入，并用螺母旋紧，具体步骤是：先旋下螺母，将加热圆筒放下。使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定筒后的紧固螺钉，从而由三个螺旋测微头来调节平面和待测样品厚度。

【测量范围、精度】

1．温度测量部分：室温0～110℃；测量精度：±1℃ 温差测量的精度0.5℃;

2. 计时部分：范围０～100min;最小分辨率1S, 精度:10-5

3. 电压表：精度0.1%;

【实验原理】

导热是物体相互接触时,由高温部分向低温部分传播热量的过程.当温度的变化只是沿着一个方向(设Z方向)进行的时候,热传导的基本公式可写为:

(2-9-1)

它表示在dt时间内通过ds面的热量为dQ,dT/dz温度梯度,λ为导热系数,它的大小由物体本身的物理性质决定,单位为w/(m•k),它是表征物质导热性能大小的物理量,式中负号表示热量传递向着降低的方向进行。

准稳态法测不良导体的导热系数和比热

准稳态法测不良导体的导热系数和比热

1实验目的

1.了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的原理，并通过快速测量学习掌握该方

法。

2.掌握使用温差电偶测量温度的方法。

2实验数据记录与处理

2.1数字万用表的练习使用

实验中的交流信号是正弦波，有效值设为1V，频率设为1000Hz。测量对象测量值量程精度不确定度完整测量结果

交流电压有效值0.98058V2V0.2+0.050.00296V(0.98058±0.00296)F

交流信号频率999.96Hz20Hz-2kHz0.01+0.0030.16Hz(999.96±0.16)Hz

电阻10.9289kΩ20kΩ0.020+0.0040.0023kΩ(10.9289±0.0023)kΩ

电容1.046µF2µF1+0.50.020µF(1.046±0.020)µF

二极管正向导通电压0.5826V0-2V0.06+0.0200.0007V(0.5829±0.0007)V

表1:数字万用表的练习使用数据记录

以电阻测量值为例计算，读数为10.9289kΩ，量程为20kΩ，精度为0.020+0.004，则

∆

R=0.020%×10.9289+0.004%×20.0000=0.0023kΩ

最终得到R=(10.9289±0.0023)kΩ，其他测量值的不确定度计算过程类似。

3测导热系数和比热容

3.1实验前的准备

实验样品为有机玻璃，长宽L=W=90mm，厚度R=10mm，密度ρ=1196kgm3。

室温t

0=19.9◦C。中心面热电偶电阻为3.296Ω，加热面热电偶电阻为3.124Ω，冷端热电偶

电阻为4.136Ω，并联而成的加热薄膜电阻r/2=55.071Ω。

加热前，测得加热面和中心面的温差U

1(t

2,t

1)=4µV<10µV，故不必进行零位修正。

加热前，加热薄膜电压U

前=17.9928V，∆

U前=0.015%×17.9928+0.004%×20.0000=

0.0035V；加热后，加热薄膜电压U

后=17.9932V，∆

稳态法测量导热系数

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

稳态法测量导热系数 2

稳态法测量导热系数 2

- 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