导热系数实验报告

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1、一、 【实验目的】用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。二、 【实验仪器】导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤( 公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯） 、冰块3、 【实验原理】1、良导体（金属、空气）导热系数的测定根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为 h、温度分别为 1、 2 的平行平面（设 1 2） ，若平面面积均为 S，在 时间内通过面t积 S 的热量 免租下述表达式：Q（3-26-1）hSt)(21式中， 为热流量； 即为该物质的导热系数， 在数值上等于相距单位长度的两平面t的温度相差 1 个单位时，单位时间内通过单位面

2、积的热量，其单位是 。)(KmW在支架上先放上圆铜盘 P，在 P 的上面放上待测样品 B，再把带发热器的圆铜盘 A 放冰水混合物电源输入 调零数字电压表FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表T2T1220V110V导热系数测定仪测 1 测 1测 2测 2表 风扇ABC图 4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图在 B 上，发热器通电后，热量从 A 盘传到 B 盘，再传到 P 盘，由于 A,P 都是良导体，其温度即可以代表 B 盘上、下表面的温度 1、 2， 1、 2 分别插入 A、P 盘边缘小孔的热电偶 E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G，切换 A

3、、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（ 3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品 B 任一圆截面的热流量为(3-26-2)21)(BRhtQ式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时， 1 和 2 的值不变，遇事通过 B 盘上表面的热流量与由铜盘 P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘 P 在稳定温度 T2 的散热速率来求出热流量 。实验中，在读得稳定时 1 和 2 后，tQ即可将 B 盘移去，而使 A 盘的底面与铜盘 P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的 2 值若干摄氏度后，在将 A 移开，让 P 自然冷却。观察其温度 随时

4、间 t 变化情况，然后由此求出铜盘在 2 的冷却速率 ,而 ,就是铜盘 P 在温度为 2 时的2t2tmc散热速率。2、不良导体（橡皮）的测定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。测量导热系数在这里我们用的是稳态法，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；适当控制实验条件和实验参数可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

5、，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。1898 年 CHLe e s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。

6、设稳态时，样品的上下平面温度分别为 ，根据傅立叶传导方程，在 时间内通12t过样品的热量 满足下式： （1 ） 式中 为样品的导热系数，QShtB为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为 ，Bh Bd则半径为 R，则由（1)式得： （2）21BRhtQ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

7、，样品上下表面的温度 和 不变，这时可以认为加热盘 C12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 时的散热速率来求出热流量 。2Qt实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度 和 后，将样品 B 抽去，让加热盘 C12与散热盘 P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的 值 20或者 20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 随时间 t 的下降情况，求出散热盘在 时的冷却速率 ，则散热盘 P 在 时的散热速率为：22t 2（3） 其中 m 为散热盘 P 的质量，c 为其比热容。2tmctQ在达到稳态的过程中，P 盘的上表面

8、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：（4）hRtct 22其中 为散热盘 P 的半径， 为其厚度。由(2)式和(4)式可得：pRp（5）PPB htmcdh2421 2所以样品的导热系数 为：（6）212BPRhRtc4、 【实验步骤】1、金属导热系数的测定根据上述装置，由傅里叶导热方程可知，通过待测样品 B 盘的热流量，tQ 为： ,实验时，当热传达到稳态时， 1、 的值将稳定不变，21BRht这时可以认为发散盘 A 通过圆盘样品上平面传入的热量与由散热盘向周围环境散热的速率相等。因此可通过散热盘 P 在稳定温度 时

9、的散热速率求出热流量 ，方法如下，当tQ读得稳态时的 1、 2 后，将样品 B 盘抽去，让发热盘 A 的底面与散热盘 P 直接接触，使盘 P 的温度上升到比 2 高出 1mV 左右时，再将发热盘 A 移开，附上原盘样品（或绝缘圆盘） ，让散热盘 P 冷却电扇仍处于工作状态，每隔 30 秒钟读一下散热盘的温度示值，选取邻近 2 的温度数据，求出，铜盘 P 在 2 的冷却速率 ，则 2t ttmc2就是散热在 时的散热速率，带入式（2）得： (3) 221)(2Rhtc（3）式中，m 为铜盘质量， C 为铜的比热容。2、空气导热系数的测量步骤同上3、不良导体导热系数的测定(1)取下固定螺丝，将橡皮

10、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

11、，当转换至 b= = =时，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。(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 1 0 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 80，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 值 20左右2即可。（6)移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔 1 0 秒(或者 3 0 秒)记录一次散热盘的温度示值，由临近 值的温度数据中计算冷却速率

12、。也可以根据记录数据22t做冷却曲线，用镜尺法作曲线在 点的切线，根据切线斜率计算冷却速率。2(7)根据测量得到的稳态时的温度值 和 以及在温度 时的冷却速率，由公式122 计算不良导体样品的导热系数。21422 BPdhRtmc5、 【实验数据处理】1、金属导热系数实验数据处理实验前测得室温 t=18.0;散热盘 B 的直径为 2RB=13.02cm，即半径 RB=6.51cm，厚度为 hB=0.79cm,质量 mB=889.3.g;加热盘 A 的直径为 2RA=13.02cm，即半径 RA=6.51cm。铜的比热容 c =0.0917cal/（gK） 。1、用 TC3 型固体导热系数测定仪

13、来测量空气的热导率.hC=1.07（所测得数据如下）稳态时 T1、T 2 的数据（每隔 2 分钟记录）冷 却 速 率 图2.62.72.82.933.13.23.33.40 30 60 90 120 150 180 210t/s/mvi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均)(1mv3.31 3.29 3.28 3.33 3.28 3.26 3.27 3.31 3,32 3.288)(21.16 2.86 2.85 2.86 2.87 2.87 2.86 2.85 2.87 2.861T(s) 0 30 60 90 120 150 180 2102(mV) 3.30 3.18 3.08 3

14、.00 2.94 2.89 2.86 2.84将数据代入公式 得 =407.28 21Rhtmc 1kmw2、空气导热系数实验数据处理稳态时 T1、T 2 的数据（每隔 2 分钟记录）i 1 2 3 4 5 平均 1（mV） 2.92 2.93 2.93 2.93 2.93 2.93 2（mV） 1.62 1.62 1.62 1.62 1.62 1.62冷却速率t（s） 0 30 60 90 120 150 180 (mV/s)2t 2（mV） 1.82 1.71 1.62 1.53 1.44 1.35 1.26 0.0031 冷却速率图象分析如下：h=1.25mmy = -0.0031x +

15、 1.809300.511.520 50 100 150 200t(s)T2(mv)将数据代入（c）可算出 =3.0210 -2W/（m）3、橡胶导热系数实验数据处理样品：橡胶； 室温： 18 ；散热盘比热容(黄铜)：C= 0.0917 J(KgK)； 散热盘质量：m= 889.3 g；散热盘 P 的厚度 = 0.78 mm； 散热盘 P 的半径： = 6.51 Ph PRmm；橡皮样品厚度 = 0.80 mm； 橡皮样品直径 = 6.51*2 B Bdmm； 13.52 3.52 3.51 3.50 3.50 3.50 3.49 3.50 3.49 3.4922.49 2.50 2.51 2.51 2.52 2.52 2.52 2.53 2.53 2.53稳态时(1 0 分钟内温度基本保持不变,样品上表面的温度示值 = 3.502 ，样品1下表面温度示值 = 2.516 。2每隔 30 秒记录一次散热盘冷却时