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1、近代物理实验上 实验报告：稳态法测量热导率 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 稳态法测量热导率 一、实验目的 1. 学会用稳态平板法测定不良导体的导热系数； 2. 学习用作图法求解热速率。 二、实验仪器 FD-TC-B型导热系数测定仪装置如图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。 图 1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图 三、实验原理 稳态法测量热导率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
2、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 1、2，根据傅立叶传导方程，在时间内通过 样品的热量满足下式： S ht Q 21 （1） 式中为样品的导热系数， 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， 设圆盘样品的直径为 B d，则由（ 1）式得： 2 21 d 4 B ht Q （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
3、，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 适应加热，可以设定加热盘的热盘的温度。 当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度不变，这时可以认为加热盘C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 2时 的散热速率来求出热流量 t Q 实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度后，将样品B抽去，让加热盘C与散热盘P 解触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的 2值 20 C以上后，移开加热盘，让散热盘在 电扇作用下冷却，记录
4、散热盘温度随时间 t 的下降情况，求出散热盘在 2时的冷却速率 2 t ，则散热盘P在 2时的散热速率为 2 mc tt Q （） 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： pp pp hR hR tt Q 2R2 2R mc 2 p 2 p 2 （） 其中 p R为散热盘的半径， p h为其厚度。 由（ 2）式和（ 4）式可得： pp pp B B hR hR t d 2R2 2R mc h4 - 2 p 2 p 221 2 （） 所以样品的导热系数为： 2 21p 2 p1h4 2R2 2
5、R mc 2 B B p p dh h t 四、实验步骤 （1）取下固定螺丝，将橡皮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 放置传感器的小孔上下对齐。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换）
6、（3）接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，设定控制温度50 摄氏度，设置完成按“确 定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘当时的温度； （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， 待在十分钟或者更长的时间内加热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，按升温设 置到 80 摄氏度，设置完成按“确定”键，使 2到 45 摄氏度即可； （6）按复位键，移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10 秒（或者30 秒）记 录一次散热盘的温度示值，由临近 2值的温
7、度数据中计算冷却速率，也可根据记录数据做 冷却曲线，用镜尺法做曲线在点的切线，根据切线斜率计算冷却速率 2 t ； （7）根据测量得到的稳态时的温度值 1和2，以及在温度2时的冷却速率，由公式计算 不良导体的导热系数 2 21p 2 p1h4 2R2 2R mc 2 B B p p dh h t 。 五、注意事项 为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂 或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳 定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘紧密接触，注意中间不要有空气隙； 也不要将螺丝拧得太紧，以影响样品的厚度。 导热系
8、数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增 加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中一定要，打开风扇。 数据处理 基本数据参数 样品：橡皮室温： 20 摄氏度 散热盘的比热容（紫铜）： C=385J/(Kg K) 散热盘厚度 p h/mm 7.637.62 7.73 7.61 7.73 7.65 所以散热盘厚度 p h=7.66mm 散热盘直径 p D/mm 130.00 129.98 130.00 129.99 130.01 130.01 所以散热盘直径 p D=130.00mm 橡皮样品厚度 B h/mm 8.07 8.07 8.06 8.05 8
9、.05 8.06 所以橡皮样品厚度 B h =8.06mm 橡皮样品直径 B d/mm 129.22 128.82 128.92 8.05 128.16 129.00 所以橡皮样品直径 B d=128.85mm 稳态时（十分钟内温度基本保持不变），样品上表面的温度示值 1=50.5 摄氏度 .样品下 表面温度 2=37.3 摄氏度。 每隔十秒记录一次散热盘冷却时的温度示值 散热盘自然冷却时温度记录 45.0 44.8 44.5 44.1 43.8 43.6 43.2 43.0 42.6 42.3 42.0 41.8 41.5 41.2 41.0 40.7 40.5 40.2 40 39.7 39.5 39.2 39.0 38.8 38.6 38.5 38.1 38.0 37.7 37.5 37.3 37.1 36.9 36.8 36.6 36.5 36.3 36.1 36.0 35.9 35.7 35.6 代入公式计算得 C/J023. 0 1h4 2R2 2R mc 2 21p 2 p 2 K dh h t B B p p 六、实验分析 温度的测量难免有所误差，但是数据较多减少了误差。斜率的拟合度较高，基本符合实 际数值。
