7-实验2—18 不良导体导热系数的测定

热 导 系 数 的 测 量实验目的：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热传导系数并用作图法求冷却速率实验原理：1. 导热系数当物体存在温度梯度时，热量从高温流向低温，传热速率正比于温差和接触面积，定义比例系数为热导系数：dQ dTdS dt dxλ=- 2. 不良导体导热系数的测量厚度为h 、截面面积为S 的样品盘夹在加热圆盘和黄铜盘之间。

热量由上方加热盘传入。

两面高低温度恒定为1T 和2T 时，传热速率为：S hT T dt dQ21--=λ 热平衡时，样品的传热速率与相同温度下盘全表面自由放热的冷却速率相等。

因此每隔30秒记录铜盘自由散热的温度，一直到其温度低于2T ，可求出铜盘在2T 附近的冷却速率dtdT。

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：()()dtQ d h R R h R R dt dQ '++=222ππ 式中dtQ d '为盘自由散热速率。

而对于温度均匀的物体，有 dtdTmc di Q d =' 联立得：()()dtdT mc h R R h R R dt dQ 222++=ππ结合导热系数定义即可得出样品的导热系数表达式。

实验容：1. 用卡尺测量A 、B 盘的厚度及直径（各测三次，计算平均值及误差）。

2. 按图连接好仪器。

3. 接通调压器电源，等待上盘温度缓慢升至1T =3.2~3.4mV4. 将电压调到125V 左右加热，来回切换观察1T 和2T 值，若十分钟基本不变（变化小于0.03）则认为达到稳态，记录下1T 和2T 的值5. 移走样品盘，直接加热A 盘，使之比2T 高10℃（约0.4 mV ）；调节变压器至零，再断电，移走加热灯和传热筒，使A 盘自然冷却，每隔30s 记录其温度，选择最接近2T 的前后各6个数据，填入自拟表格数据处理：样品盘质量898.5m g = 上盘稳定温度1 3.17T mV = 下盘稳定温度2 2.56T mV =样品盘比热容10.3709()c kJ kg K -=⋅⋅实验前室温=21.8C T ︒室 实验后室温=22.6C T '︒室几何尺寸均使用游标卡尺测量：自由散热降温时下盘温度：下面先处理几何数据：取0.95P =，3n = 则0.95 4.30t = 1.96p k =a) 对下盘厚度A h ：0.768A h cm =0.002/0.001A A h u cm σ===游标卡尺测量：C =0.002cm ∆=仪 由于下盘∆估因较小而忽略0.002cm B ∆=∆=仪0.950.006U cm ===最后：(0.7680.006)Ah cm =±0.95P =b) 对下盘直径A D ：12.954A D cm = /0.002/0.001AA D u cm σ===游标卡尺测量：C =0.002cm ∆=仪 考虑直径判断误差，取0.01cm ∆=估0.01cm B ∆==0.950.012U cm ===最后：(12.9540.012)AD cm =±0.95P =c) 对样品盘厚度B h ：0.757B h cm = 0.002BA h u cm σ===游标卡尺测量：C =0.002cm ∆=仪 由于样品质地较软，取0.01cm ∆=估0.01cm B ∆==0.950.014U cm ===最后：(0.7570.014)Ah cm =±0.95P =d) 对下盘直径B D ：12.995B D cm = /0.006/0.003BA D u cm σ===游标卡尺测量：C =0.002cm ∆=仪 考虑直径判断误差，且样品较软，取0.02cm ∆=估0.02cm B ∆==0.950.026U cm ===最后：(12.9950.026)BD cm =±0.95P =e) 对上盘稳定温度1T ：由于只测量了一次，因此只计算B 类不确定度电压表测量：3C = 0.005mV ∆=仪 对数字万用表∆估忽略0.005B mV ∆=∆=仪0.95/ 1.960.005/30.003P B U k C mV =∆=⨯=最后：1(3.170.00)T mV =±0.95P =f) 对下盘稳定温度2T ：由于只测量了一次，因此只计算B 类不确定度电压表测量：3C = 0.005mV ∆=仪 对数字万用表∆估忽略0.005B mV ∆=∆=仪0.95/ 1.960.005/30.003P B U k C mV =∆=⨯=最后：1(2.560.00)T mV =±0.95P =1. 逐差法将12个数据前后分成2组，然后对应相减：（对应组数据时间差630180t s s ∆=⨯=）0.25T mV ∆= 0.02T mV σ= /0.02/0.008A T u mV σ===电压表测量：3C = 0.005mV ∆=仪 对数字万用表∆估忽略0.005B mV ∆=∆=仪等效测量次数6n =，取0.95P =，则0.95 2.57t = 1.96p k =0.950.02U mV ===最后：(0.250.02)TmV ∆=±0.95P =得出逐差法降温速度：30.25 1.38910/180dT T mV s dt t -∆===⨯∆根据公式：()()21224()2B A A B A A mch D h dTdtD T T D h λπ+=⋅-+代入数据：()()323322320.8985(0.370910)(0.75710)12.95440.76810 1.389103.14(12.99510)(3.17 2.56)12.95420.76810λ-----⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯+⨯⨯得到：110.240W m K λ--=⋅⋅由不确定度传递公式：()()122ln lnln ln 42ln ln 2ln ln()B A A B A A mch D h D D h V V V tλπ=+++--++∆--∆ 求微分：()()121242()242A A A A B B B A A B A A d D h d D h dh dD d V V d d V h D h D D h V V V λλ++-∆=+--+-++∆- 合并同类项：1212122()(42)4242B B A A A A B B A A A A A A A A dh dD dD dD dh dh dV dV d d V h D D h D h D h D h V V V V V λλ∆=-+-+-+-+++++∆--转化成不确定度：12222222221212222()()()[][]()()()(4)(2)(4)(2)B B A A h D A D A h V V T B B A A A A A A A A U U h U D U U U U U h D D h D h D h D h T V V V V λλ∆=++++++++++∆--即：U λ= 代入数据：U λ= 得：110.039U W m K λ--=⋅⋅0.95P =最后：11(0.2400.039)W m K λ--=±⋅⋅0.95P =2. 作图法先在2 2.56T mV =前后取点，再作一直线，使所取个点尽量均匀的分布在直线两边。

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。

【数据表格及数据处理 】
实验数据记录（铜的比热c=0.09097cal· g-1· C-1，比重8.9g/cm3） 散热盘P：质量m= （g） 半径 Rp= (cm)
1 Dp (cm) hp (cm)

2
3
4
5
橡胶盘：半径Rb= (cm)
1
2
3
4
5
DB(cm) hB(cm)
稳态时T1、T2的值（转换见附录1的分度表）T1=
【实验仪器】
不良导体导热系数测定仪 温度计（0~100℃，精确到0.1℃） 铜-康铜热电偶 天平、砝码 秒表
铜-康铜热电偶
ห้องสมุดไป่ตู้
数字电压表
不良导体导热系数测定仪
图3
热电偶
【实验原理】
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L、温 度分别为T1、T2的平行平面(设T1>T2)，若平 面面积均为S，在t时间内通过面积S的热 量Q满足下述表达式： Q T1 T2 S Q t h （1） 式中 t 为热流量， 即为该物的热导率 （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 W m 1 K 1 。
实验中，在读得稳定时的T1和T2 后，即可将B盘移去，而使盘A 的底面与铜盘P直接接触。当盘 P的温度上升到高于稳定时的T 值若干摄氏度后，再将圆盘A移 开，让铜盘P自然冷却。观察其 温度T随时间t变化情况，然后由 此求出铜盘在T2的冷却速率
Q T T T T2 , 而mc T T2 t t t
t
二、金属导热系数的测量 1．将圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发 热圆盘与散热圆盘之间。 2．当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布 后，T1、T2值为金属样品上下两个面的温度 此时散热盘P的温度为T3。因此测量P盘的 Q 冷却速度为： t T T3 Q h 1 mc T T 1 由此得到导热系数为 t T1 T2 mR 2 测T3值时可在T1、T2达到稳定时，将插在发 热圆盘与散热圆盘中的热电偶取出，分别插 入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。

非良导体导热系数的测量导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，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，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

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。

一、实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用热交换法测量良导体的导热系数。

二、实验仪器FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台。

1、热导率测量的实验装置如图1所示2、FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台面板如图2所示C B A图1三、实验原理1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier ）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。

测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。

当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。

傅立叶指出，在dt 时间内通过dS 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即：dS dxdTdt dQ -λ= （1） 式中dtdQ 为传热速率，dx dT 是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度，“－”号表示热量由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，在SI 中λ的单位是W ·m -1·K -1。

对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

如图4所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的T 1和T 2（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为B BS h TT dt dQ 21-λ= （2） 式中h B 为样品厚度，S B =πR 2B 为样品上表面的面积，（T 1-T 2）为上、下平面的温度差，λ为导热系数。