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。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。
准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理； 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容，热传递的三种基本方式包括热传导，热对流和热辐射，而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法，但是该方法要求温度和热流量均要稳定，因而要求实验条件较为严格，从而导致了该方法测量的重复性，稳定性及一致性差，误差大。该实验采用一种新的测量方法，即准稳态方法，实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质，在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热，单位为J/(kg·K)，它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下，单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W/(m·K)，即瓦/(米·开)，它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用，如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性，开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数，有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面，由于道路结构处于不断变化的温度环境中，了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数，能够使人们精确的模拟道路结构温度场，了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数，有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪； 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套，(每套四块），加热板两块，热电偶两只，导 线若干，保温杯一个。 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大 不良导体平板厚度为2R，初始温度为t0，现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c，则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表 达如下： 图1理想的无限大不良导体平板
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： t ΔQ ΔS h t Q B 21 θθλ?=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： B h S B d
混合 物质比热容的测量属于量热学范围，由于量热实验的误差一般较大，所以要做好量热实验必须仔细分析产生各种误差的原因，并采取相应措施设法减小误差。 测定固体或液体的比热容，在温度变化不太大时常用混合量热法、冷却法、电流量热器法。本实验用混合法测定金属的比热容。 一、实验目的 1． 学习热学实验的基本知识，掌握用混合法测定金属的比热容的方法； 2． 学习一种修正系统散热的方法。 二、仪器及用具 量热器，水银温度计，物理天平，待测金属粒，停表，量筒，烧杯及电加热器等。 三、实验原理 1． 用热平衡原理侧比热容 在一个与环境没有热交换的孤立系统中，质量为m 的物体，当它的温度由最初平衡态 θi θ时，所吸收（或放出）的热量Q 为 ) (0θθ-=i mc Q （1） 式中mc 称为该物体的热容，c 称为物体的比热容，单位为Ｊ／（ｋｇ·K ）。 用混合法测定固体比热容的原理是热平衡原理。把不同温度的物体混合在一起时，高温物体向低温物体传递热量，如果与外界没有任何热交换，则他们最终达到均匀、稳定的平衡温度，这时称系统达到了热平衡。高温物体放出的热量1Q 与低温物体吸收的热量2Q 相等，即 1Q =2Q （2） 本实验的高温部分由量热器内筒、搅拌器、水银温度计和热水等组成，而处于室温的金属粒为系统的低温部分。设量热器内筒和搅拌器（二者为同种材料制成）的质量为1m ，比热容为1c ；热水质量为2m ，比热容为2c ；水银温度计的质量为 3 m ，比热容为3 c ，它们的共同 温度为1θ。待测金属粒的质量为M ，比热容为c ，温度与室温0 θ相同。将适量金属粒倒入 量热器内筒中，经过搅拌后，系统达到热平衡时的温度为2 θ。假设系统与外界没有任何热 交换，则根据式（2）可知，实验系统的热平衡方程为 ) ())((022*******θθθθ-=-++Mc c m c m c m （3） 式中 3 3c m 为温度计的热容，其值用1.92V(J/K)表示，这里的V 表示温度计浸入水中部分的 体积，单位用3 cm 。于是，式（3）可写成 ) ())(92.1(02212211θθθθ-=-++Mc V c m c m
在冷却法测金属比热容实验中，有公式?Q/?t =c1m 1?T1/?t，其中?Q/?t与?T1/?t 的含义是指： 答案1：热量损失；温度下降速率 答案2：热量损失；在温度T1时的温度下降速率 答案3：单位时间内的热量损失；温度下降速率 答案4：单位时间内的热量损失；在温度T1时的温度下降速率 正确答案为：4 如测量次数≥5次，总的不确定度为_____，如测量次数<5次，总的不确定度为_____，其中S x、Δx为_____不确定度。 答案1： 答案2： 答案3： 答案4： 正确答案为:4 在冷却法测金属比热容实验中，温度指示选择转换旋钮的“设定温度”档可用来设定 __________所需加热的温度，而当旋钮旋至“加热盘温度”档时，可用来_____________。答案1：加热盘；设定金属盘加热温度 答案2：加热盘；显示加热盘温度变化 答案3：金属盘；设定金属盘加热温度 答案4：金属盘；显示加热盘温度变化 正确答案为:2 在冷却法测金属比热容实验中，为了计算标准铜盘（或待测铝盘）在50℃的斜率，应采用下面哪一种方法： 答案1：在冷却曲线上任意选择两个点求斜率 答案2：在冷却曲线上在50℃附近选择两个点求斜率 答案3：在冷却曲线上在45℃—55℃之间选择两个点求斜率 答案4：在冷却曲线上在50℃处作曲线的切线，在切线上选择两个点求斜率 正确答案为:4
答案1：α1=α2；T10=T20 答案2：m1=m2；T10=T20 答案3：T10=T20；n1=n2 答案4：α1=α2；n1=n2 正确答案为:4 在冷却法测金属比热容实验中，有公式?Q/?t =c1m 1?T1/?t，其中?Q/?t与?T1/?t的含义是指： 答案1：热量损失；温度下降速率 答案2：热量损失；在温度T1时的温度下降速率 答案3：单位时间内的热量损失；温度下降速率 答案4：单位时间内的热量损失；在温度T1时的温度下降速率 正确答案为:4 在冷却法测金属比热容实验中，该实验仪器______用来测量室温，此时须把温度指示选择转换旋钮拔向__________________。 答案1：可以；“散热盘温度”档 答案2：可以；空档 答案3：不可以；空档 答案4：可以；“加热盘温度”档 正确答案为:1 在冷却法测金属比热容实验中，下列哪一项不属于本实验对金属样品的要求？ 答案1：金属样品的直径应较大 答案2：金属样品的厚度应较小 答案3：金属样品的导热性能应较好 答案4：金属样品的表面状况应大致相同
热学实验论文 。混合法测定金属的比热容 物质比热容的测量属于量热学范围，由于量热实验的误差一般较大，所以要做好量热实验必须仔细分析产生各种误差的原因，并采取相应措施设法减小误差。 测定固体或液体的比热容，在温度变化不太大时常用混合量热法、冷却法、电流量热器法。本实验用混合法测定金属的比热容。 一、实验目的 1． 学习热学实验的基本知识，掌握用混合法测定金属的比热容的方法； 2． 学习一种修正系统散热的方法。 二、仪器及用具 量热器，水银温度计，物理天平，待测金属粒，停表，量筒，烧杯及电加热器等。 三、实验原理 1． 用热平衡原理侧比热容 在一个与环境没有热交换的孤立系统中，质量为m 的物体，当它的温度由最初平衡态0θ变化到新的平衡态i θ时，所吸收（或放出）的热量Q 为 )(0θθ-=i mc Q （1） 式中mc 称为该物体的热容，c 称为物体的比热容，单位为Ｊ／（ｋｇ·K ）。 用混合法测定固体比热容的原理是热平衡原理。把不同温度的物体混合在一起时，高温物体向低温物体传递热量，如果与外界没有任何热交换，则他们最终达到均匀、稳定的平衡温度，这时称系统达到了热平衡。高温物体放出的热量1Q 与低温物体吸收的热量2Q 相等，即 1Q =2Q （2） 本实验的高温部分由量热器内筒、搅拌器、水银温度计和热水等组成，而处于室温的金属粒为系统的低温部分。设量热器内筒和搅拌器（二者为同种材料制成）的质量为1m ，比热容为1c ；热水质量为2m ，比热容为2c ；水银温度计的质量为3m ，比热容为3c ，它们的共同
温度为1θ。待测金属粒的质量为M ，比热容为c ，温度与室温0θ相同。将适量金属粒倒入量热器内筒中，经过搅拌后，系统达到热平衡时的温度为2θ。假设系统与外界没有任何热交换，则根据式（2）可知，实验系统的热平衡方程为 )())((022*******θθθθ-=-++Mc c m c m c m （3） 式中33c m 为温度计的热容，其值用1.92V(J/K)表示，这里的V 表示温度计浸入水中部分的 体积，单位用3cm 。于是，式（3）可写成 )())(92.1(02212211θθθθ-=-++Mc V c m c m 则金属粒的比热容c 为 )() )(92.1(02212211θθθθ--++=M V c m c m c （4） 式中M 、1m 、2m 均可由天平称衡；V 可用量筒采用排水法测出；1c 、2c 查书后附录二或由实验室给出，0θ为室温。若能知道1θ和2θ的值，便可计算出金属粒的比热容c 。下面通过修正系统散热误差的方法求出1θ和2θ的值。 2. 系统散热误差的修正（面积补偿法） 在热学实验中，系统不可能完全绝热，必然存在着散热现象，因此，必须对系统的散热进行修正。修正散热的方法之一就是对温度进行修正，其方法是通过作图用外推法求出实验系统的高温部分（量热器内筒、热水、搅拌器、水银温度计等）混合前的温度1θ以及混合后系统达到热平衡时的温度2θ。图2-25所示的是实验系统的温度随时间变化的曲线。图 中AB 段是未投入金属粒前系统的散热温度变化曲线； B 点对应的时刻为金属粒投入热水中的时刻。B C 段是金属粒投入量热器热水中以后，系统进行热交换过程的散热曲线；C D 段是系统内热交换达到热平衡后的散热温度变化曲线。在BC 段实际上同时进行着两个过程，一是由于系统向空气散热而导致热水温度下降，二是由于金属粒投入后的吸热效应而使热水温度下降。现在就来考虑在有热量损失的情况下，应用面积补偿法，求出由于投入金属粒而使水温降低的实际数值。其具体做法是：在曲线上过对应于室温0θ的点G 作垂直横轴的直线，然后延长AB 到 E ，延长DC 到 F ，使BE G 面积等于GFC 面积，这样在BEGFC 和BGC 这两条图线各自相应的过程中所损失的热量是相等的，因而可将原来的BGC 过程等
准稳态法测量比导热系数
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准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理； 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容，热传递的三种基本方式包括热传导，热对流和热辐射，而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法，但是该方法要求温度和热流量均要稳定，因而要求实验条件较为严格，从而导致了该方法测量的重复性，稳定性及一致性差，误差大。该实验采用一种新的测量方法，即准稳态方法，实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质，在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热，单位为J/(kg·K)，它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下，单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W/(m·K)，即瓦/(米·开)，它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用，如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性，开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数，有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面，由于道路结构处于不断变化的温度环境中，了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数，能够使人们精确的模拟道路结构温度场，了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数，有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪； 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套，(每套四块），加热板两块，热电偶两只， 导线若干，保温杯一个。 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大 不良导体平板厚度为2R，初始温度为t0，现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c，则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表 达如下： R R x q c q c q c q c 图1理想的无限大
冷却法测量金属比热容 一 实验目的 1 掌握用冷却法测定金属的比热容，测量金属在室温至200℃温度时的比热容。 2 了解金属的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。 二 实验原理 单位质量的物质，其温度升高或降低1K （1℃）所需的热量，叫做该物质的比热容，其值随温度而变化。根据牛顿冷却定律，用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品，测定铁、铝样品在100℃或200℃时的比热容。 冷却法测定金属的比热容测量仪装置 (实验装置由加热仪和测试仪组成。加热仪的加热装置可通过调节手轮自由升降。被测样品安放在有较大容量的防风圆筒即样品室内的底座上，测温热电偶放置于被测样品内的小孔中。当加热装置向下移动到底后，对被测样品进行加热；样品需要降温时则将加热装置移上。仪器内设有自动控制限温装置，防止因长期不切断加热电源而引起温度不断升高。) 将质量为1M 的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失（t Q ??/）与温度下降的速率成正比，于是得到 下述关系式： t M C t Q ??=??1 1 1θ （1）
式中1C 为该金属样品在温度1θ时的比热容，t ??1θ为金属样品在1θ的温度下降速率， 根据冷却定律有： m s a t Q ) (0111θθ-=?? （2） 式中1a 为热交换系数1S 为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度， θ 为周围介质的温度。由式（1）和（2），可得 m s a t M C ) (01111 1 1θθθ-=?? （3） 同理对质量为2M ，比热容为2C 的另一种金属样品，可有同样的表达式： m s a t M C ) (02222 2 2θθθ-=?? （4） 由（3）和（4）式，可得： m m s a s a t M C t M C )()(1011102221 12 2 2θθθθθθ--=???? （5） 所以 m s a t M s a t M C C m ) (01112 2 ) (1 2 02221 1 θθθθθθ-??=-?? （6） 如果两样品的形状尺寸都相同，即2 1 s s =；两样品的表面状况也相同（如涂层、色 泽等），而周围介质（空气）的性质当然也不变，则有2 1a a =。于是当周围介质温度不 变（即室温0θ恒定而样品又处于相同温度θ θθ=-21 ）时，上式可以简化为： 1 22 11 2 ??? ????? ?? ????=t M t M C C θθ （7） 如果已知标准金属样品的比热容1C 质量1M ；待测样品的质量2M 及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容2C 。
金属比热容测量实验中误差的来源探讨和修正 Prepared on 24 November 2020
天津师范大学本科毕业论文（设计） 题目：金属比热容测量实验中误差的来源探讨和修正 学院：物理与电子信息学院 学生姓名：于永洋 学号：07506015 专业：物理学 年级：2007级 完成日期：2011年5月 指导教师：曹猛
测量金属比热容实验中误差的来源探讨和修正 于永洋 （天津师范大学物理与电子信息学院） 摘要：金属比热容的测量是大学物理中的一个经典实验，但由于在实验过程中受外界环境影响因素较大，造成测量结果往往有一定偏差。本研究分析了混合法测量金属比热容实验中可能产生实验误差的各种因素，对误差对结果的影响进行分析，并提出改进的实验方法用以减小误差的影响。 关键词：误差、比热容、混合法 Error to explore and fixed in metal specific heat capacity measurement YU YONGYANG (College of Physics and Electronic Information Science, Tianjin Normal University) Abstract：Specific Heat capacity measuring in metal is the classic college physics experiment.Certain deiation often measurement results because of the experimental process by external environment factors. This study analyzes various factors of the error by the cooling method and hybrid method.Analysing the influence of the error of the results and some improvements to the experimental method to lower the error influence. Keywords：error, specific heat capacity, hybrid method 目录 引言 (1) 一、研究背景 (1)
实验八 冷却法测量金属的比热容 用冷却法测定金属或液体的比热容是量热学中常用的方法之一。若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测得各种金属在不同温度时的比热容。热电偶数字显示测温技术是当前生产实际中常用的测试方法，它比一般的温度计测温方法有着测量围广，计值精度高，可以自动补偿热电偶的非线性因素等优点。 本实验以铜样品为标准样品，而测定铁、铝样品在100℃或200℃时的比热容。通过实验了解金属的冷却速率和它与环境之间温差的关系，以及进行测量的实验条件。 【实验目的】 1．掌握用冷却法测定金属的比热容，测量铁、铝金属样品在100℃或200℃温度时的比热容。 2．了解金属的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。 【实验仪器】 DH4603型冷却法金属比热容测量仪、待测量金属材料样品（铜、铁、铝）等 【实验原理】 单位质量的物质，其温度升高1K （或1℃）所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为1M 的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失（/Q t ??）与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式： 111Q c M t t θ??=?? （8-1） 式中1c 为该金属样品在温度1θ时的比热容，1 t θ??为金属样品在1θ的温度下降速率，根据冷却定律有： 1110()m Q S t αθθ?=-? （8-2） 式中1α为热交换系数，1S 为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式（8-1）和（8-2），可得 1 11 1110()m c M S t θαθθ?=-? （8-3）
实验题目 冷却法测金属的比热容（416房间） 【目的要求】 1、掌握用冷却法测金属的比热容； 2、了解关于铜-康铜热电偶的定标知识。 【实验原理】 单位质量的物质，其温度升高1K(1C o )所需的热量叫做该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为M 1的金属样品加热后，放到较低温度的介质(例如：室温的空气)中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失( t Q ??)与温度下降的速率成正比，于是得到下 述关系式： t M C t Q ??=??111θ (1) (1)式中C 1为该金属样品在温度1θ时的比热容， t ??1θ为金属样品在1θ时的温度下降速率。根据冷却定律有： m s a t Q )(0111θθ-=?? (2) (2)式中a 1为热交换系数，S 1为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式(1)和(2)，可得： m s a t M C )(0111111θθθ-=?? (3) 同理，对质量为M 2，比热容为C 2的另一种金属样品，可有同样的表达式： m s a t M C )(0222222θθθ-=?? (4) 由上式(3)和(4)，可得： m m s a s a t M C t M C )()(01110222111222θθθθθθ--=???? 所以： m m s a t M s a t M C C )()(01112202221112θθθθθθ-??-??= 如果两样品的形状尺寸都相同，即S 1=S 2；两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有a 1=a 2。于是当周围介质温度不变(即室温0θ恒
金属比热容的测量 【实验目的】 1.学会用铜-康铜热电偶测量物体的温度， 2.掌握用冷却法测定金属的比热容，并测量铁和铝不同温度下的比热容。 【实验原理】 单位质量的物质，其温度升高或降低1K （1℃）所需的热量，叫做该物质的比热容，它是温度的函数,一般情况下,金属的比热容随温度升高而增加,在低温时增加较快,在高温时增加较慢。根据牛顿冷却定律，用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。 将质量为M 1的金属样品加热后，放到较低温度的介质(例如：室温的空气)中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失(t Q ??)与温度下降的速率成正比，于是得到下述关 系式： t M C t Q ??=??111θ (1) (1)式中C 1为该金属样品在温度1θ时的比热容， t ??1θ为金属样品在1θ时的温度下降速率。根据冷却定律有： m s a t Q )(0111θθ-=?? (2) (2)式中a 1为热交换系数，s 1为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式(1)和(2)，可得： m s a t M C )(0111111θθθ-=?? (3) 同理，对质量为M 2，比热容为C 2的另一种金属样品，可有同样的表达式： m s a t M C )(022222 2θθθ-=?? (4) 由上式(3)和(4)，可得： m m s a s a t M C t M C )()(01110222111222θθθθθθ--=???? 所以：
m m s a t M s a t M C C )()(011122022211 12θθθθθθ-??-??= 如果两样品的形状尺寸都相同，即s 1=s 2；两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有a 1=a 2。于是当周围介质温度不变(即室温0θ恒定而样品又处于相同温度1θ=θθ=2)时，上式可以简化为: 221112)()(t M t M C C ????=θθ (5) 如果已知标准金属样品的比热容C 1质量M 1；待测样品的质量M 2及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容C 2。 已知铜在100℃时比热容为C cu = 0.0940cal /(g .K )。 【实验仪器】 FD-JSBR 型冷却法金属比热容测量仪、铜铁铝实验样品、盛有冰水混合物的保温杯、镊子、秒表。 FD-JSBR 型冷却法金属比热容测量仪由加热仪和测试仪组成。加热仪的热源A 是75 瓦电烙铁改制而成，利用底盘支撑固定并通过调节手轮自由升降；实验样品B 是直径5mm ，长30mm 的小圆柱，其底部钻一深孔便于安放热电偶，放置在有较大容量的防风容器E 即样品室内的热电偶支架D 上；测温铜-康铜热电偶 C(其热电势约为0.042mV /0C )放置于被测样品 B 内的小孔中。当加热装置 A 向下移动到底后，可对被测样品B 进行加热；样品需要降温时则将加热装置A 移上。装置内设有自动控制限温装置，防止因长期不切断加热电源而引起温度不断升高。 热电偶的冷端置于冰水混合物G 中，带有测量扁叉的一端接到三位半数字电压表F 的“输入”端。热电势差的二次仪表由高灵敏、高精度、低漂移的放大器放大加上满量程为 20mV
稳态法测量材料的导热系数 2015-04-02 导热系数是表征材料导热能力大小的量。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料的两侧温度相差1°C时，在单位时间内，通过1m2所传导的热量。 材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。由于导热性能有许多种测量方法，事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征，以及使用温度的大致范围，以选用正确的测量方法。本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。 稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后，通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。稳态法测导热系数的基本原理图及公式为： λ=Qd/A△T；单位:W/(m?K) 注意：稳态条件下；材料应为单一均质的干燥材料。 Q:热流稳定后，通过试样的热流量（w）； d:试样厚度(m)； A:试样面积(m)； :温度差(℃)。
热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。将样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。热流法适用于低导热材料，测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试，在达到温度梯度稳定期后，测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。适合测试导热系数范围为0.001~50W/m?K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。 护热平板法 护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似，保护热板法的测量原理如下图所示。热源位于同一材料的两块样品中间。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。当试样上、下两面处于不同的稳定温度下，测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度，应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。 导热系数λ=Qd/A（（t2-t1）+（t4-t3）） Q:热流稳定后，通过试样的热流量； d:试样厚度； A:试样面积； t2-t1/t4-t3:温度差。 该法误差较小且可用于测定低温导热系数材料（0.02-2.0W/m?K）如塑料、纤维、陶瓷基板、氧化铝瓷、空心玻璃、各种保温材料等匀质板状材料。试样应是均质的硬质材料，两表面应平整光滑且平行。在用该法对不良导体的导热系数测定时，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。
冷却法测量金属的比热容 【实验目的】 （1） 测量固体的比热容。 （2）了解固体的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。 【实验仪器】 本实验装置是金属比热容测量仪；实验样品是直径5mm 、长30mm 的小圆柱，其底部深孔中安放铜—康同热电偶。 【实验原理】 单位质量的物质，其温度升高1K （或1℃）所需的热量叫该物质的比热容，其值随温度而变化， 将质量为1M 的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却，其单位时间的热量损失（Q t ??）应与温度下降速率成正比，由此到下述关系式： 111 Q C M t t θ???? = ????? ① 式中1C 为该金属样品在温度1θ时的比热容，1 t θ??? ????为金属样品在温度1θ时的 温度下降速率，根据冷却定律有： 1110()m Q a S t θθ?=-? ② 式中，1a 为热交换系数，1S 为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式①和②，可得：
1 11 1110()m C M a S t θθθ?=-? ③ 同理，对质量为2M ，比热容为2C 的另一种金属样品，有： 2 22 2220()m C M S t θαθθ?=-? ④ 由式③和式④，可得： m m s a s a t M C t M C )()(0111022211 12 22θθθθθθ--=???? m m s a t M s a t M C C ) ()(01112202221112θθθθθθ -??-??= 如果两样品的形状尺寸都相同，即12S S =；两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有12a a =。于是当周围介质温度不变(即室温0θ恒定，而样品又处于相同温度1θ=θθ=2)时，上式可以简化为: 2 21 11 2)()( t M t M C C ????=θθ 如果已知标准金属样品的比热容1C ，质量1M ，待测样品的质量2M 及两样品 在温度θ时冷却速率之比1??? ????t θ和2??? ????t θ，就可求得待测金属的比热容2 C 。 已知铜在100℃时的比热容为：1393().Cu C J kg C -=? 【实验内容】 1.测量铁和铝在100℃时的比热容。 步骤： （1）选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品(铜、铁、铝)用物理天平或电子天平秤出它们的质量0M 。再根据Cu M ＞Fe M ＞Al M 这一
五、数据处理 1、在内容三所测数据中，选取稳态温度附近10组数据，用逐差法计算散热盘C在稳态T2附近的冷却速率Vc。 根据选取稳态温度附近10组数据 由逐差法计算有Vc={(44.7-42.2)+(44.3-41.6)+(44.1-41.2)+(43.3-40.8)+(42.6-40.5)}/(5*2.5)=1.048℃/min=0.0175℃/s 2、计算出待测样品B的导热系数λ: λ=｛mch B（R c+2h c）/2πR b2 (T1-T2)(R c+h c)｝*(△T/△t) B R c=(9.960+9.958+9.980+9.956+9.942)/(2*5)=4.9796cm=4.9796*10^-2m hc=(0.984+0.986+0.982+0.986+0.982)/5=0.984cm=9.84*10^-3m R b=(9.966+9.950+9.948+9.958+9.956)/(2*5)=4.9778cm=4.9778*10^-2m T1=53.1℃T2=42.3℃ △T/△t=Vc=0.0175℃/s λ={0.669*385*8.332*10^-3*(4.9796*10^-2+2*9.84*10^-3)/2*3.14*(4.9778*10^-2)2*(53.1-42.3) ( 4.9796*10^-2+9.84*10^-3)}*0.0175=0.261 W/m*K 3、求出环氧盘λ的不确定度，给出结果表达式。（只考虑冷却速率误差） 由于比较复杂，过程见实验报告纸。 可得结果为Uλ=0.036 W/m*K∴λ=0.261±0.036 W/m*K 4、分析误差原因。 测量盘的直径与厚度时由于是人为读数，有读数误差，再有环境误差，盘的质量可能由于多次实验有磨损存在误差等等。 5、所有测量数据都要列表。
冷却法测量金属的比热容 【实验目的】 （1） 测量固体的比热容。 （2）了解固体的冷却速率与环境之间的温差关系，以及进行测量的实验条件。 【实验仪器】 本实验装置是金属比热容测量仪；实验样品是直径5mm 、长30mm 的小圆柱，其底部深孔中安放铜—康同热电偶。 【实验原理】 单位质量的物质，其温度升高1K （或1℃）所需的热量叫该物质的比热容，其值随温度而变化， 将质量为1M 的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却，其单位时间的热量损失（Q t ??）应与温度下降速率成正比，由此到下述关系式： 111 Q C M t t θ???? = ????? ① ？ 式中1C 为该金属样品在温度1θ时的比热容，1 t θ??? ????为金属样品在温度1θ时的 温度下降速率，根据冷却定律有： 1110()m Q a S t θθ?=-? ② 式中，1a 为热交换系数，1S 为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。由式①和②，可得：
1 11 1110()m C M a S t θθθ?=-? ③ 同理，对质量为2M ，比热容为2C 的另一种金属样品，有： 2 22 2220()m C M S t θαθθ?=-? ④ 由式③和式④，可得： m m s a s a t M C t M C )()(0111022211 12 22θθθθθθ--=???? m m s a t M s a t M C C ) ()(01112202221112θθθθθθ -??-??= 如果两样品的形状尺寸都相同，即12S S =；两样品的表面状况也相同(如涂 层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有12a a =。于是当周围介质温度不变(即室温0θ恒定，而样品又处于相同温度1θ=θθ=2)时，上式可以简化为: $ 2 21 11 2)()( t M t M C C ????=θθ 如果已知标准金属样品的比热容1C ，质量1M ，待测样品的质量2M 及两样品 在温度θ时冷却速率之比1??? ????t θ和2??? ????t θ，就可求得待测金属的比热容2 C 。 已知铜在100℃时的比热容为：1393().Cu C J kg C -=? 【实验内容】 1.测量铁和铝在100℃时的比热容。 步骤： （1）选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品(铜、铁、铝)用物理天平或电子天平秤出它们的质量0M 。再根据Cu M ＞Fe M ＞Al M 这一
稳态法测量不良导体的热导率 热导率(又称导热系数)是反映材料热传导性能的重要物理量。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。因此，某种材料的热导率不仅与材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系.在科学实验和工程设计中，所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定. 【实验目的】 (1)掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的热导率； (2)掌握用作图的方法求冷却速率； (3)学习温度传感器的应用方法； 【实验仪器】 FD-TC-B型导热系数测定仪（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）、分度值0.02mm游标卡尺、量程3000g,分度值为0.1g电子天平、量程30cm，分度值为1mm钢板尺、秒表等. 图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图 【实验原理】 1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的热导率，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1T 、2T ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式： S h T T t Q B 21-=??λ (1) 式中λ为样品的导热系数，B h 为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的半径为B R ，则由（1）式得： 2 21B B R h T T t Q πλ-=?? (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C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度1T 和2T 不变，这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热量与散热盘P 向周围环境散出的热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2T 时的散热速率来求出样品的传热速率 t Q ??。 实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度1T 和2T 后，将样品B 抽去，让加热盘C 与散热盘P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的2T 值C 5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T 随时间t 的下降情况，用作图的方法求出散热盘在2T 时的冷却速率 2 T T t T =??，则散热盘P 在2T 时的散热速率为： 2 T T t T mc t Q =??=??散 (3) 其中m 为散热盘P 的质量，c 为其比热容。 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(2 2 2 P P P P P p T T h R R h R R t T m c t Q ππππ++??=??=散 稳态时样品B 的传热速率等于散热盘P 的散热速率，即：