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1、YBF-2YBF-2 型导热系数测试仪型导热系数测试仪（实实验验指指导导书书）杭杭州州大大华华仪仪器器制制造造有有限限公公司司HZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）2Y YB BF F2 2 导导 热热 系系 数数 测测 试试 仪仪【实验目的实验目的】1掌握热电偶温度计定标 2利用物体的散热速率求传热速率 （用稳态平板法测定不良导体的导热系数）【仪器用具仪器用具】1测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表及 PID 控制表） 一台 2保温杯（或 DH-TD 低温实验仪） 一只/台 3硬铝样品 一根 4橡皮样品 一块 5陶瓷样品 一根 6牛筋样品 一块 7绝缘圆盘 一块 8测片 一把【实验内
2、容实验内容】一对铜康铜热电偶温度计定标。 二测量物体在室温100多点的导热系数，画出曲线。 1 测量不良导体的导热系数。本仪器附橡皮、陶瓷、牛筋等样品供教学测试用。 2 测量金属的导热系数。本仪器附有硬铝测试样品。 3 测量空气的导热系数。【结构特性结构特性】（实验装置装配见装配图）装配图） 在使用中，样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘 P 和圆筒加热盘 A 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， 均需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
3、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、精度测量范围、精度】1PID 控制：精度1；最小分辨率 0.1 2温度测量部分：室温 0110；测量精度：1；温差测量的精度 0.5 3计时部分：范围 0100 min；最小分辨率 1S；精度：10-5 4电压表：精度 0.1%HZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）3【实验原理实验原理】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， 为导
4、热系数，它 的大小由物体本身的物理性质决定,单位为 w/(mk)，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。在图 1 中，B 为待测物，它的上下表面分别和上下铜盘接触，热量由高温铜盘 A 通过待测物 B 向低温铜盘传递，若 B 很薄，则通过 B 侧面向周围环境的散热量可以忽 略不计，视热量沿着垂直待测圆板 B 的方向传递。那么，在稳定导热（即温度场中各 点的温度不随时间而变）的情况下，在 t 时间内，通过面积为 S、厚度为 h 的匀质板 的热量为:(2-9-2)T 表示匀质圆板两板面的恒定温差。若把（2-9-2）式写成:(2-9-3)的形式。那么Q/t，便为待
5、测物的导热速率。只要知道了导热速率，由（2-9-3） 式即可求出 。下面我们来求Q/t。 实验中，使上铜盘 A 和下铜盘 P 分别达到恒定温度 T1、T2，并设 T1T2。即热量由 上而下传递，通过下铜盘 P 向周围散热。因为 T1和 T2不变，所以，通过 B 的热量就等 于 P 向周围散发的热量，即 B 的导热速率等于 P 的散热速率。因此，只要求出了 P 在 温度 T2时的散热速率，就求出了 B 的导热速率Q/t。 因为 P 的上表面和 B 的下表面接触，所以 P 的散热面积只有下表面面积和侧面积之 和，设为 S部。而实验中冷却曲线 P 是全部裸露于空气中测出来的，即在 P 的下表面和 侧
6、面都散热的情况下记录出来的。设其全部表面积为 S全，根据散热速率与散热面积成 正比的关系得(2-9-4)A BP 图 1式中：（Q/t）部为 S部面积的散热速率；（Q/t）全 为 S全面积的散热速 率。而散热速率（Q/t）部就等于（2-9-3）式中的导热速率Q/t,这样（2-9-dtdsdzdTdQZ 0)(tShTQShT tQ全部全部 SStQtQ HZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）43）式便可写作：(2-9-5)设下铜盘直径为 D，厚度为 ，那么有：(2-9-6)由比热容的基本定义 C=Q/mT,得 Q=cmT,故(2-9-7)将（2-9-6） 、 （2-9-7）两式代入（2-9
7、-4）式，得：(2-9-8)将（2-9-8）式代入（2-9-5）式得：(2-9-9)式中： m下铜盘的质量c下铜盘的比热容【实验步骤实验步骤】1用游标卡尺多次测量下铜盘的直径 D、厚度 和待测物厚度 L，然后取平均值。下 铜盘的质量 m 由天平称出，其比热容 C=3.805*102 J/g 2安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜盘上的 小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶 冷端插在冰水混合物中（或直接接低温实验仪提供冷端的热电偶，并使温度控制在 0）3根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率， 可
8、先将电源电压打到高档，加热约 20 分钟后再打至低档。然后，每隔 5 分钟读一下温 度示值，如在一段时间内（如 10 分钟）样品上、下表面温度 T1、T2示值都不变，即可 认为已达到稳定状态。记录稳态时 T1、T2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比 T2高出 10左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔 30 秒读一次下铜盘的温度示 值，最后选取邻近的 T2测量数据来求出冷却速率。在采用 PID 自动控温时，可连续在 50、60、70、80、90、100时并使 得在各点T1、T2值稳定不变（准稳定状态） 。记录稳态时各温点 T1、T2值后。照上述方 法移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔 10
9、20 秒读一次下铜盘的温度示值，并求 50、 60、70、80、90、100时各 T2温点的下铜盘冷却速率，代入公式进而测得样ShT tQ 部D2D2SD2DS22全部tTcm tQ 全cmK4D24D tQ 部 2DTTD214DcmKh2122TTtTKHZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）5品在以上不同温度下的导热系数。 4 4本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差 100时，其温差电动势约 4.0mV，故应配 用量程 010mV,并能读到 0.01mV 的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器， 故无须调零） 。由于热电偶冷端温度为 0,对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围 不
10、大时，其温差电动势（mV）与待测温度（0）的比值是一个常数。由此,在用式 (2-9-9)计算时,可以直接以电动势值代表温度值。【实验注意事项实验注意事项】1手动控制做稳态法时，要使温度稳定约要 1 个小时左右，为缩短时间，可先将热板 电源电压打在高档，几分钟后，T1=4.00mV 即可将开关拨至低档，待 T1降至 3.5mV 左 右时，通过手动调节电热板电压高档、低档及断电档，使 T1读数在0.03mV 范围内, 同时每隔 2 分钟记下样品上、下圆盘 A 和 P 的温度 T1和 T2的数值,待 T2的数值在 10 分 钟内不变即可认为已达到稳定状态,记下此时的 T1和 T2值. 2测金属（或陶
11、瓷）的导热系数时,T1、T2值为稳态时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 盘的冷却速率应为：测 T3值时要在 T1、T2达到稳定时，将上面测 T1或 T2的热电偶移下来进行测量。 3圆筒发热体盘侧面和散热盘 P 侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二 小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免线路错乱，热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并 插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端浸于冰水混合物中。 4样品圆盘 B 和散热盘 P 的几何尺寸，可用游标尺多次测量取平均值。散热盘的质量 m 约 1，可用药物天平称量。 5本实验选用铜康铜热电偶，温差 100时，温差电动势
12、约故应配用量程 010mV 的数字电压表，并能测到 0.01V 的电压（也可用灵敏电流计串联一电阻箱来替代） 。【仪器维护与保养仪器维护与保养】1使用前将加热盘与散热盘面擦干净。样品两端面擦净，可涂上少量硅油。以保证接 触良好。注意，样品不能连续做试验，特别是橡皮、牛筋必须降至室温半小时以上才 能下一次试验。 2在实验过程中，如若移开电热板，就先关闭电源。移开热圆筒时，手应拿住固定轴 转动，以免烫伤手。 3实验结束后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以至影响实验的 精度。数字电压表数字出现不稳定时先查热电偶及各个环节的接触是否良好。 4仪器在搬运及放置时，应避免强烈振动和受到撞击
13、。 5仪器长时间不使用时，请套上塑料袋，防止潮湿空气长期与仪器接触。房间内空气 湿度应小于 80%。 6仪器使用时,应避免周围有强烈磁场源的地方。 7长期放置不用后再次使用时，请先加电预热 30min 后使用。 8若开机秒表无显示，需关断电源 5 秒再通电。原因市电不稳定。如开机无电请先检查加热装置上的电源输入插座，用万用表量其电阻如开机无电请先检查加热装置上的电源输入插座，用万用表量其电阻(200)左右，左右， 再用再用 2M 档量其一引脚与外壳应为开路，反之，请勿使用！请与我厂联系维修。档量其一引脚与外壳应为开路，反之，请勿使用！请与我厂联系维修。2 21133RTTh tTmctTTTTTHZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）6注意：接地线必须接地！注意：接地线必须接地！稳稳态态法法测测量量不不良良导导体体导导热热系系数数 （仅供参考）导热系数是一种重要的物理量，不良导体导热系数的测定，是热学中比较重要的 实验。用稳态法测不良导体导热系数是一种常见的方法，它较其它方法更方便，精确 度更高。测定不良导体的导热系数的原理是法国数学家、物理学家的傅里叶给出的导热方 程式，在物体内部，垂直于导热方向上，两个相距为 h，面积为 s，温
