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稳态法测量不良导体导热系数

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1页 稳态法测量不良导体导热系数

姓名 学 号 班级

桌号 同组人 教 室 基1307

日期 2 0 年 月 日 时段

一、实验目的

1. 理解导热系数的概念及意义；

2. 学习用稳态平板法测定材料导热系数的实验思想；

3. 了解热电偶测温原理。

二、实验仪器

导热系数测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表、PID自动控温装置）

保温杯及冰水混合物

测试样品：橡皮、牛筋、电木，三选二。

三、实验原理

1. 热传导定律

1）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)进行时，热传导的基本公式可写为：

它表示在 。dT/dz 为 ；

λ为 ，它的大小由 决定，单位为 ，它是表征 的物理量，式中负号表示 。

2）利用公式（1）测定材料导热系数的关键：在A、B、P盘内部建立稳定的温度梯度dT/dz的前提下，利用A盘向P盘的热传导速率和P盘向空气的散热速率相等进行测量(图1)。

2. 在材料内部建立稳定的温度梯度dT/dz

将待测样品盘B夹在两个铜盘之间形成如图一所示的“三明治”结构，热量由加热的高温铜盘A通过样品盘B向低温铜盘P传递，若B盘很薄，通过侧边向周围环境的散热可以忽略，则可视为“三明治”结构内热流沿垂直盘面方向传递。

当上下铜盘温度保持不变时，此时可视为稳定导热，即在材料内部建立起了稳定的温度梯度。设A、P铜盘温度为T1、T2，样品盘厚度为h，则温度梯度可近似表示为：

21d==dTTTTzhh（2） d=Q（1） 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

2页 T1、T2、h、s可测，只要测量出传热速率K=dQ/dt，即可得到导热系数。

（请思考实验采用圆形铜盘作为加热和散热盘的原因并回答第六部分中的思考题。）

3. 传热速率K=dQ/dt的测定

（1）根据稳态法的特点，为维持材料内部稳定的温度梯度分布，必须使整个“三明治”结构的输入热量和散出热量相等，即整个系统达到热量传递的动态平衡，于是通过样品的传热速率等于低温下铜盘在温度T2的散热速率。

（2）阅读教材，简要阐述实验中用下铜盘在温度T2时的降温速率代替散热速率的实验思想，并推导出导热系数的实验用公式。 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

3页 四、实验步骤

本实验选用铜-康铜热电偶测上下铜盘温度，所使用的数字电压表集成在了仪器上，其温度与电动势的关系见实验报告最后附表铜—康铜热电偶分度表。

注意：必须明确和注意电热炉设定温度、炉温、热电偶1和热电偶2所测温度之间的区别和联系。

1． 用游标卡尺测量样品厚度，多次测量取平均值，记录下铜板的几何尺寸、质量（刻在下铜盘侧面）、比热容等物理量；

2． 安装样品和上下铜盘形成“三明治“结构，注意将样品适度夹紧，铜盘与样品盘之间不要留有空隙。热电偶插入测温小孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插入冰水混合物中。

3． 手动控温法要求手动控制并保持电热炉的炉温在60 oC左右，①利用手动“高低档位”和“断电档位”把炉温控制在60 oC左右；②从高温的上铜盘通过材料层传给下铜盘的热量大于下铜盘散出的热量，下铜盘温度逐渐升高。上铜盘通过材料层传给下铜盘的热量等于下铜盘散出的热量，下铜盘温度不再升高，系统达到热稳态。（观察下铜盘的温度变化，5分钟不变，可视为达到热稳态）。记录上下铜盘热电偶电压VT1、VT2（单位mV）。

4． 用自动控温法测样品的导热系数。①设置电热炉的设定温度为60 ℃，将电热炉“自动”档打开，等待系统达到稳态时测出热电偶电压VT1、VT2值。

5．移去样品，直接加热下铜盘到60oC以上，然后移去上铜盘及材料盘，让下铜盘自然冷却。当下铜盘温度达到60 oC附近后，每隔30 s读一次下铜盘的温度示值(要求在T2上下各有3组以上有效数据)。利用记录的数据，用最小二乘法(手机APP中有计算工具)得到下铜盘在T2温度的自然冷却速率K。

6．查附表得到热电偶电压值对应的温度，换算为绝对温度值，分别计算两种样品的导热系数。

注意：①自动升温较慢时，可先用手动高档加热，临近60℃时再转为自动控制；

②自动控温显示的是电热炉内置热电偶测得的炉丝温度，与电压表换算出的上铜盘温度通常不一致（二者定标位置不同），实验中记录上铜盘温度作为T1。

五、数据记录与处理

1、材料盘厚度测量要求3次测量，铜盘的半径、质量厚度等数据在盘侧面刻印，铜的比热在教材中查。相关数据用表格表达。

2、分别用手动方式、自动方式进行调整，达到热稳态，并记录稳态时的材料层上下表面的温度。

表3 温度测量数据记录如下表。

样品名称 上铜盘 下铜盘

（手动） 热偶电压(mV) 热偶电压(mV)

上盘温度(oC) 下盘温度(oC) 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

4页 （自动） 热偶电压(mV) 热偶电压(mV)

上盘温度(oC) 下盘温度(oC)

3、利用记录的数据，用最小二乘法(手机APP中有计算工具)得到下铜盘在T2温度的自然冷却速率K。

表4 下铜盘自然冷却温度记录表(T2上下取7组数据)

时间t

（s）

T

（mv）

时间t

（s）

T

（mv）

用最小二乘法计算冷却速率K及相关系数r

4、计算材料的导热系数。

由公式 2214212DTTDDcmKh

计算2种材料导热系数（自行设计）

六、思考题

1.为什么实验中的加热盘A和散热盘P均采用铜盘？

2. 应用稳态法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。（请从稳态法测定不良导体的实验思路去思考）？

附表： 铜—康铜热电偶分度表

热电势（mV）

温度(℃) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195. 0.234 0.273 0.312 0.351

10 0.391 0.43 0.47 0.51 0.549 0.589 0.629 0.669 0.709 0.749

20 0.789 0.83 0.87 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.155

30 1.196 1.237 1.279 1.32 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569

40 1.611 1.653 1.695 1.738 1.78 1.828 1.865 1.907 1.95 1.992

50 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.25 2.294 2.337 2.38 2.424

60 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864

70 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 30131 3.176 3.221 3.266 2.312

80 3.357 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.63 3.676 3.721 3.767 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

5页 90 3.813 3.859 3.906 3.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231

100 4.277 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701

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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

实用文档

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，∆

不良导体导热系数的测定

不良导体导热系数的测定

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

不良导体导热系数的测定 2

不良导体导热系数的测定 2

1 / 4 不良导体导热系数的测定

专业年级： 油气储运04级4班 指导教师： 姚勇

学生姓名（学号）： 李超云（04012408） 许惠敏（04012401）

一、实验目的

1、掌握稳态法测不良导体导热系数的方法

2、了解物体散热速率与传热速率的关系

3、学习用作图法求冷却速率

4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法

二、实验原理

当物体内部各处温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传向较低处，这种现象称为热传导。热传导定律指出：如果热量是沿着Z方向传导，那么在Z轴上任一位置Zo处取一个垂直截面积dS，以ddT表示在Z处的温度梯度，以dtdQ表示该处的传热速度（单位时间内通过截在积dS的热量），那么热传导定律可表示成：

dQ=－λ（dZdT）Zo dS·dt （2.3-1）

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），比例数λ即为导热系数，可见导热系数的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。利用（2.3-1）式测量材料的导热系数λ，需解决两个关键的问题：一个是如何在材料内造成一个温度梯度ddT并确定其数值；另一个是如何测量材料内由高温区向低温区的传热速率dtdQ。

1、关于温度梯度ddT

为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间，如图2.3-1，使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2，就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。若样品厚度远小于样品直径（Dh《），由于样品侧

积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，可以认为热测定

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—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T1、T2，就可以确定样品内的温度梯度hTT21。当然这需要铜板与样品表面紧密接触无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。