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1、实验九 不良导体导热系数的测量导热系数（热导率）是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流 和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个 研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机 理的理解大多数来自固体物理的实验。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，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、 温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中
2、所用材料的导热系数都需 要用实验的方法测定。（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查 寻）1882年法国科学家J傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法 都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法 和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。【实验目的】1了解热传导现象的物理过程2学习用稳态平板法测量材料的导热系数3学习用作图法求冷却速率 4掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法【实验仪器】YBF-3 导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、 塞尺等【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和
3、它的物理意义入手。热传导 定律指出：如果热量是沿着z方向传导，那么在z轴上任一位置z0处取一个垂直截 面积ds，以dT表示在z处的温度梯度，以dQ表示在该处的传热速率（单位时间 dzdt内通过截面积ds的热量），那么传导定律可表示成：dTdQ = -X（ ） ds -dt（9-1）dz z0式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相 反）。（9-1）式中比例系数X即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。利用（9-1）式测量材料的导热系数九，需解决的关键问题两个：一个是在材料 内造成一个温度梯度dT，并
4、确定其数值；另一个是测量材料内由高温区向低温区 dz 的传热速率dQ。dt1.关于温度梯度dTdz为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体铜板之间，使两块铜板分别保持在恒定温度T和T，就可能在垂12直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。样品厚度可做成h D （样品直径）。 这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，可以 认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。由于铜 是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温
5、度T、T，12 就可以确定样品内的温度梯度度厶二厶。当然这需要铜板与样品表面的紧密接触（无h缝隙），否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两块铜板都加工成 等大的圆形。2、关于传热速率dQdt单位时间内通过一截面积的热量dQ是一个无法直接测定的量，我们设法将这 dt 个量转化为较为容易测量的量，为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给 高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜块，低温侧铜板则要将热量不断地向 周围环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平 衡状态，称之为稳态。此时低温侧铜板的散热速率
6、就是样品内的传热速率。这样， 只要测量低温侧铜板在稳态温度T下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热2速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们已经知 道，铜板的散热速率与其冷却速率（温度变化率dT/dt ）有关，其表达式为：dQdt t2dT=me dt t29-2)式中m为铜板的质量，e为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。因为质量容易直接测量，c为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。测量铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下金属铜板加热，使其的温度高于稳定温度T （大约高出10C左 2右）再让
7、其在环境中自然冷却，直到温度低于T，测出温度在大于T到小于T区间 2 2 2中随时间的变化关系，描绘出T -1曲线，曲线在T处的斜率就是铜板在稳态温度时 2T 下的冷却速率。2应该注意的是，这样得出的dT/dt是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热面积为2兀R2 + 2兀R h （其中R和h分别是下铜板的半径和厚度）然而在P P P P P实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为兀R2 ）是样品覆盖的，由于物体的散热P兀R 2 + 2兀R hpP P2兀 R 2 + 2兀 R hpP P9-3)速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：dQdT=-mcdtdt根据
8、前面的分析，这个量就是样品的传热速率。将上式代入热传导定律表达式，并考虑到ds = k R 2可以得到导热系数：9-4).2h + R 1 h dT九=mc p p -2h + 2R 兀 R2 T T dt T=T2P P12式中的R为样品的半径、h为样品的高度、m为下铜板的质量、c为铜块的比热容、Rp和hP分别是下铜板的半径和厚度。右式中的各项均为常量或直接易测量。【实验步骤与要求】1用自定量具测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量、 然后取平均值。其中铜板的比热容c = 0.385KJ /（K Kg）2加热温度的设定1）按一下温控器面板上设定键（S），此时设定值（SV）后
9、一位数码管开始闪烁。2）根据实验所需温度的大小，再按设定键（S）左右移动到所需设定的位置，然后通 过加数键（）、减数键（）来设定好所需的加热温度。3）设定好加热温度后，等待8 秒钟后返回至正常显示状态。3. 圆筒发热盘侧面和散热盘P侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放时此二小孔 都应与冰点补偿器在同一侧，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，热电偶冷端接到冰点补偿器信号输入端。 根据稳态法的原理，必须得到稳定的温度分布，这就需要较长的时间等待。 手动控温测量导热系数时，控制方式开关打到“手动”。将手动选择开关打到“高” 档，根据目标温度的高低，加热一定时间后
10、再打至“低”档。根据温度的变化情况要 手动去控制“高”档或“低”档加热。然后，每隔5 分钟读一下温度示值（具体时 间因被测物和温度而异），如在一段时间内样品上、下表面温度T、T示值都不变, 12 即可认为已达到稳定状态。自动PID控温测量时，控制方式开关打到“自动”，手动选择开关打到中间一档，PID 控温表将会使发热盘的温度自动达到设定值。每隔5 分钟读一下温度示值,如在一段时间内样品上、下表面温度T、T示值都不变，即可认为已达到稳定状态。124. 记录稳态时T、T值后，移去样品，继续对下铜板加热，当下铜盘温度比T高1 2 2出10C左右时，移去圆筒，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自
11、然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录，直至温度下降到T以下一定值。作铜板2的T t冷却速率曲线（选取邻近的T测量数据来求出冷却速率）。25. 根据（9-4）计算样品的导热系数九6. 本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100C时，其温差电动势约4.0mV,故 应配用量程020mV,并能读到O.OlmV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0C,对一定材料的热电偶而言， 当温度变化范围不大时，其温差电动势（mV）与待测温度（0C ）的比值是一个常 数。由此，再用（9-4）计算时,可以直接以电动势值代表温度值。【实验注意事项】1. 稳态法测量时
12、，要使温度稳定约要40分钟左右。手动测量时，为缩短时间， 可先将热板电源电压打在高档，一定时间后，毫伏表读数接近目标温度对应的热电 偶读数，即可将开关拨至低档，通过调节手动开关的高档、低档及断电档，使上铜 盘的热电偶输出的毫伏值在0.03mV范围内。同时每隔30秒记下上、下圆盘A和P 对应的毫伏读数，待下圆盘的毫伏读数在3分钟内不变即可认为已达到稳定状态,记 下此时的vt和vt值。122. 测金属的导热系数的稳态值时,热电偶应该插到金属样品上的两侧小孔中；测 量散热速率时，热电偶应该重新插到散热盘的小孔中。T、T值为稳态时金属样品上下两侧的温度，此时散热盘P的温度为T,因此测量P盘的冷却速率应
13、为：3.ATh 1九=mc At T T 兀 R 2T=T312测T值时要在T、T达到稳定时，将上面测T或T的热电偶移下来插到金属下端的31212小孔中进行测量。高度h按金属样品上的小孔的中心距离计算。3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0.8熄，可用药物天平称量。4.本实验选用铜一康铜热电偶，温差100C时，温差电动势约4.27mV，故配用 了量程020mV的数字电压表，并能测到0.01 mV的电压。备注：当出现异常报警时，温控器测量值显示：HHHH,设置值显示：Err,当 故障检查并解决后可按设定键（S）复位和加数键（）、减数键（）键重设
14、温度。【预习思考题】1稳态平板法测量导热系数实验中，稳态指的什么？根据什么条件判断是否达到 稳态？2实验中为什么要测量散热盘的冷却速率？【课后作业】1试述稳态法测不良导体导热系数的基本思想方法？2求冷却速率时,为什么要在散热盘稳态温度附近选值？3稳态法测量导热系数,要求哪些实验条件？在实验中如何确定和保证？4热电偶测量温度是通过热电势与温度的关系得出温度值的，本实验中为什么不 用确定热电势与温度的关系来得到温度值，而直接代入热电势计算即可？【附录】一、YBF-3型导热系数测试仪使用说明导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的重要依 据，而且是应用材料时的一个设计参数，在
15、加热器、散热器、传热管道设计、房屋 设计等工程实践中都要涉及这个参数。因为材料的热导率不仅随温度、压力变化， 而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响热导率的数值，所以在科学实验和工 程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。测量热导率的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本测试仪采用稳态法测 量不同材料的导热系数，其设计思路清晰、简捷、实验方法具有典型性和实用性。 测量物质的导热系数是热学实验中的一个重要内容。本测试仪由加热器、数字电压表、计时秒表组成（采用一体化设计）1仪器的面板图II駅,上面板图2加热温度的设定1）按一下温控器面板上设定键（S）,此时设定值（SV）显示屏一位数码管开始 闪烁。2）根据实验所需温度的大小，再按设定键（S）左右移动到所需设定的位置，然后通 过加数键（）、减数键（）来设定好所需的加热温度。3）设定好加热温度后，等待8 秒钟后返回至正常显示状态。 3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，特别是硅橡胶，必须
