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1、实验4稳态法测量物体的导热系数导热系数是表征物体传热性能的物理量，它与材料本身的性质、结构、湿度及压力等 因素有关。测量导热系数的方法一般分为稳态法和动态法两类。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，则待测样品内部形成稳定的温 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，最终在样品内部所形 成的温度分布是随时间变化的。本实验采用稳态法。【实验目的】(1) 了解热传导现象的物理过程；(2) 用稳态法测定热的不良导体一一橡胶的导热系数；(3) 学习用温度传感器测量温度的方法。【预习要点】(1) 复习游标卡尺的使用；(2) 热传导的特点是什么？用
2、什么公式描述这一现象？(3) 用稳态法测定不良导体导热系数时，稳态指的是什么？怎样判断是否到达稳态？(4) 本实验怎样通过转换法计算传热速率？计算散热速率时，怎样采集和选用实验数 据？【实验原理】Tj Tt图4.1热传导当物体内部温度不均匀时，热量会自动地从高温处传 递到低温度处，这种现象称为热传导，它是热交换基本形 式之一。设在物体内部垂直于热传导的方向上取相距为h、 温度分别为T、T的二个平行平面(图4.1)。由于h很小，1 2可认为二平面的面积均为S，则在At时间内，沿平面S的 垂直方向所传递的热量满足下列傅里叶导热方程式AQ- T )=九 S +2(4.1)Ath上式为热传导的基本公式
3、，由法国数学家、物理学家约瑟夫傅里叶(Joseph Fourier)导出。 式中比例系数九称为导热系数，又称热导率，它是表征材料热传导性能的一个重要参数。九 与物体本身材料的性质及温度有关，材料的结构变化与杂质多寡对九都有明显的影响，同 时，环境温度对九也有影响。在各向异性材料中，即使同一种材料，其各个方向上的九值 也不相等。由式(4.1)知，导热系数九在数值上等于两个相距单位长度的平行平面，当温度相差一 个单位时，在垂直于热传导方向上单位时间内流过单位面积的热量。在国际单位制中，九的单位是W/m K，过去也常用非国际单位制cal/s cm-C，它们之间的换算是lcal/s cm- C = 4
4、18.68W/m K实验装置如图4.2所示。固定于底架的三个支架上支撑着一个散热铜盘C,散热盘C 以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。在散热盘上安放待测样品B,样品B上放置 加热盘A，加热盘A是由单片机控制的自适应电加热。加热时，加热盘A的底面直接将热量通过样品上表面传入样品，同时，样品把吸收到 的热量通过样品下表面不断地向铜盘C散出，当传入样品的热量等于样品传出的热量时， 样品处于稳定的热传导状态，此时样品上、下的温度为一稳定值，上面为T ,下面为T。1 2 根据傅里叶导热方程式，稳态时样品的传热速率为AQAt(T - T )12h(4.2)B洁视图前视图图4.2 FD-TC-B导热系数
5、测定仪装置图A.加热板；B待测样品；C散热铜盘当样品达到稳态时，通过样品B的传热速率与铜盘C向周围环境的散热速率相等，即 在相同的At时间内，向样品所传递的热量AQ等于铜盘向周围环境所散失的热量AQ散。 铜盘在温度降低AT时散失的热量为AQ = m c AT ,其中m和c分别为铜盘C的质 散 铜铜铜 铜量和比热。因此，在稳定温度T附近铜盘的散热速率为AQ I At = m c AT / At。实验2散铜铜时只要设法获得铜盘的冷却速率AT/At，即可求得样品的传热速率AQ/At。当读得稳态时的温度值T、T后，把样品拿走，让铜盘C与加热板A的底面直接接1 2触，使铜盘的温度上升到高于T若干度后，移
6、开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，每2隔一定的时间间隔采集一个温度值，由此求出铜盘C在温度T2附近的冷却速率AT/At。由于物体的冷却速率与它的散热面积成正比，考虑到铜盘C散热时，其表面是全部暴 露在空气中，即散热面积是上、下表面与侧面，而实验中达到稳态散热时，铜盘C的上表 面却是被样品覆盖着的，故需对AT/At加以修正。修正后，铜盘的散热速率为AQAT兀R 2 + 2兀R hATd+ 4h散 = me- cc c = me - C CAt铜铜At2兀R 2 + 2兀R h铜铜At2d+ 4hcc cc c因AQ散=AQ，即AQ散/ At =AQ / At，代入式(5.2)得.AT d +
7、4hh 4k = m e- C l - b -(4.3)铜铜 At 2d + 4h T 一 T 兀d 2c c 12 B式中，d、h分别为散热铜盘的直径和厚度；而d、h是样品橡胶圆盘的直径与厚度。e eB B【实验仪器】FD-TC-B型导热系数测定仪装置如图4.2所示，它由电加热器、铜加热盘A、橡胶样品 圆盘B、铜散热盘C、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成，游标卡尺， 电子天平。【实验内容】(1) 取下固定螺丝，将橡胶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
8、意不宜过紧或过松；(2) 按照图4.2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。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 要对应，加热盘分“控温”散热盘分“测温”)。(3) 开启电源后，设定加热器控制温度：按升温键左边表显示由B00.0可上升到B80.0 摄氏度。一般设定75。C较为适宜。再按确定键，显示变为AXX.X之值，即表示加热盘此 刻的温度值。右边表头显示散热盘的测量温度。打开电扇开关，仪器开始加热。(4) 加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录
9、散热盘的温度，待在1 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，使散 热盘温度上升到高于稳态时的T值10。C左右即可。2(6) 移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔20秒记录一次散热盘的温度示 值，直至铜盘温度低于-约56个数据为止。从记录的数据中取出包含-的十个连续数 据填入下表。作出温度与时间的关系图，求出直线的斜率AT/At。(7) 用游标卡尺测出样品及铜盘的厚度与直径，用电子天平称出铜盘的质量。 根据所测数据，由式(4.3)求出橡胶的导热系数九保用SI制，单位为W/mK)。表4.1 铜盘在T附近自然冷却时的温度示值稳态时的温度示值I高温T尸Co I 低温T亍Co次序12345678910时间t(s)温度示值T(C0)表 4.2 几何尺寸和质量的测量次序123456平均样品盘B厚度hcm)B直径d Jcm)散热铜盘CB厚度h (cm)c直径d (cm)c质量m(g)思考题】用稳态法测量热的不良导体，实验误差主要来源有哪些?
