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1、稳 态法测 固 体 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等因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。【实验目的 】用稳态法测定出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。【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h、温
2、度分别为21T,T的平行平面（设21TT） ，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：h)TT(StQ21( 1 ) 式中 tQ为热流量，即为该物质的热导率（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11KmW。本实验仪器如图 1 所示：在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待测样品B（圆盘形的不良导体） ，再把带发热器的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A 盘传到B盘，再传到P盘，由于P,A盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度1T、2T，1T、2T分别由插入P,A盘边缘小孔 铂电阻
3、温度传感器E来测量。通过“传感器切换”开关G，切换P,A盘中的铂电阻温度传感器与数字电压表的连接回路。由式（1）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：2 B B21Rh)TT(tQ( 2 ) 式中BR为样品的半径，Bh为样品的厚度， 当热传导达到稳定状态时，1T和2T的值不变，于是通过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2T时的散热速率来求出热流量tQ。实验中，在读得稳定时的1T和2T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2T值若干摄氏度后， 再将圆盘A移开， 让铜盘P自然冷却。 观
4、察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在2T的冷却速率2TTtT,而tQtTCm2TT(m为紫铜盘P的质量，C为铜材的比热容),就是紫铜盘P在温度为2T时的散热速率。但要注意，这样求出的tT是紫铜盘P的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为PPPhRR222（其中PPhR 与分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传热时，P盘的上表面（面积为2 PR）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正：PP2 PPP2 P hR2R2hR2RtTCmtQ（ 3 ）将式（ 3）代入式（ 2） ，得：2 B21PPBPP
5、R1TTh2R2hh2RtTCm（ 4 ）【实验仪器】实验采用杭州精科仪器有限公司生产的A3TC型导热系数测定仪。 该仪器采用低于V36的隔离电压作为加热电源，安全可靠。 整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热圆盘的侧面有一小孔，为放置铂电阻温度传感器之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待测样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，在需要快速降温时用来强制散热。铂电阻温度传感器分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。铂电阻插入时，涂少量的硅脂，铂电阻温度传感器的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内。利用面板上的开关可方便地直接测出两
6、个2 温度值，温度值用数字式温度表显示。仪器设置了数字计时装置，计时范围min166，分辩率s1.0，供实验时计时用。仪器还设置了PID自动温度控制装置，控制精度C1，分辨率C1 .0，供实验时控制加热温度用。【实验内容】在测量导热系数前应先对散热盘P和待测样品的直径、厚度进行测量。1用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5 次。2用游标卡尺测量散热盘P的直径和厚度，测5 次，按平均值计算P盘的质量。也可直接用天平称出P盘的质量（产品出厂时P盘的质量已用钢印打在上面）。一不良导体导热系数的测量：1实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片）放在散热盘P上面，然后将发热盘A放在样品盘B上方，并用固定螺
7、母固定在机架上，再调节三个螺旋头，使样品盘的上下两个表面与发热盘和散热盘紧密接触。2将二个铂电阻温度传感器分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将铂电阻温度传感器接线连接到仪器面板的传感器、上。用专用导线将仪器机箱后部插座与加热组件圆铝板上的插座加以连接（注： 温控仪的探头就插在加热盘A中，温控仪显示的测量温度就是加热盘A的实际温度， 因此，在测量不良导热材料时，可以不必插加热盘A的铂电阻温度传感器，而直接用温控仪的测量温度代替）。3接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度（具体操作见附录2） 。将加热选择开关由“断”打向“31”任意一档，此时指示灯亮，当打向“3”档时，加温速
8、度最快，如PID设置的上限温度为C100时。当传感器I 的温度到达C100时，可将开关打向“ 2”或“ 1”档，降低加热电压。4. 大约加热40分钟后， 传感器、 的读数不再上升时，说明已达到稳态，每隔5分钟记录1T和2T的值。5测量散热盘在稳态值2T附近的散热速率（tQ） 。移开铜盘A，取下橡胶盘，并使铜盘A的底面与铜盘P直接接触，当P盘的温度上升到高于稳定态的2T值若干度（C5左右）后，再将铜盘A移开，让铜盘P自然冷却，每隔30 秒(或自定 )记录此时的2T值。根据测量值计算出散热速率 tQ。二金属导热系数的测量：1将圆柱体金属铝棒置于发热圆盘与散热圆盘之间，上下表面涂上导热硅脂。2当发热
9、盘与散热盘达到稳定的温度分布后，1T、2T值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P的温度为3T值。因此测量P盘的冷却速率为：3 3T1TtQ由此得到导热系数为：2 213T1TRm1)TT(htQCm测3T值时可在1T、2T达到稳定时， 将插在发热圆盘与散热圆盘中的铂电阻温度传感器取出，分别插入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。三空气的导热系数的测量：当测量空气的导热系数时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘平行，它们之间的距离为h，并用塞尺进行测量（即塞尺的厚度，一般为几个毫米），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。【注意事项】1 放置铂电阻温度传
10、感器到发热圆盘和散热圆盘侧面的小孔时应在铂电阻头部涂上导热硅脂，避免传感器接触不良，造成温度测量不准。2实验中， 抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒侧面的固定螺钉。样品取出后， 小心将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，注意防止高温烫伤。【数据与结果】1 实验数据记录（铜的比热11)C(gcal09197.0C，密度3cm/g9 . 8）散热盘P：质量m= 878 (g) 半径：PPD21R6.48（cm）测量次数1 2 3 4 5 )cm(DP12.96 12.96 12.96 12.96 12.96 )cm(hP0.74 0.74 0.74 0.74 0.74 橡胶盘：半径BBD21R6.4
11、3（cm）测量次数1 2 3 4 5 )cm(DB12.85 12.85 12.85 12.85 12.85 )cm(hB0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 稳态时1T、2T的值：1T104.1 C，2T= 76.5 C测量次数1 2 3 4 5 4 C)(T1105.3 104.7 103.3 104.3 103.1 C)(T276.2 76.4 76.7 76.5 76.8 散热速率：每间隔S30测一次时间（ S）30 60 90 120 150 180 210 240 )C(T376.5 75.5 74.6 73.7 73.0 72.2 71.5 70.6 2 根 据 实
12、验 结 果 ， 计 算 出 不 良 导 热 体 的 导 热 系 数 ( 导 热 系 数 单 位 换 算 ：Km/W68.418)C(gCal111) ，并求出相对误差。实验数据处理如下：实验时室温C12。待测样品： 硬橡皮盘。 直径cmDB85.12，厚cmhB80.0紫铜盘质量gm878, 厚cmhP74.0。紫铜的比热：11)C(gCal09197.0C 加热置于高档。2520分钟后，改为低档，每隔5分钟读取温度示值见下表：)cm(DB12.85 12.85 12.85 12.85 12.85 )cm(hB0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 测量紫铜在稳态值2T附近的散热速率
13、时，每隔s30记录的温度示值见下表：)C(T376.5 75.5 74.6 73.7 73.0 72.2 71.5 70.6 计算硬橡皮的导热系数：111114 6322 2112. 01075.21003.111003.39.1292844.1421080.096. 79 .575.8043.6142. 3) 1.761 .104()274.096.12(730180.0)274.048. 6()6 .705.76(09197.08781 222KmWCcmsCalRTThRhhR tTCmBPPBPP查手册这种硅橡胶的导热系数为：11KmW16.0；%25%100 16.016.012. 0E
