导热系数的测定

1. 大学物理实验 导热系数的测定 杭州电子科技大学物理实验中心

2. 前言 实验目的 实验原理 实验仪器 实验内容 注意事项 问题与讨论

3. 前 言 导热系数（热导率）是反映材料导热性能的一个重要参数，在科学实验和工程技术中都要涉及这个参数。材料按导热性能，可分为良导体和不良导体，通常导电材料大部分是热的良导体。导热系数的测定大体上分为稳态法和动态法。稳态平板法是测量不良导体导热系数的一种常用方法，该法也可测量良导体的导热系数。本实验采用稳态平板法测量材料导热系数。

4. 实 验 目 的 1、了解热传导的基本规律，掌握稳 态平板法测材料导热系数的方法。 2、利用物体的散热速率求传热速率。 3、学会用热电偶测量温度。

5. 实 验 原 理 • 1. 热传导定律 • 当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。傅里叶提出:如果热量沿着x方向传导，那么在x轴上任意位置x0处取一个垂直截面△S • （如图），以 表示在x处 • 的温度梯度，那么在时间△t • 内通过截面积△S所传递的 • 热量△Q为

6. 这就是傅立叶热传导定律。 式中负号表示热量从高温区向低稳区传导（即传导的方向与温度梯度的方向相反）。式中比例系数即为导热系数，它表示相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米-1 ·开-1（W ·m-1·K-1）。

7. 2.稳态法测传热速率 测量样品导热系数的实验装置如图 热量 截面面积S 发热盘 （黄铜盘） h1 样品 散热盘（黄铜盘） 待测样品上下表面与发热盘和散热盘紧密接触，热量由发热盘通过样品上表面传入，并由样品下表面向散热盘散发。

8. 当样品上下表面温度可以认为是均匀分布，且样品盘厚度h1不很大可忽略样品侧面散热的影响时，傅立叶热传导定律可改写为： 当T1、T2稳定时，通过样品的传热率和黄铜盘向侧面和下表面的散热率相同。

9. 式中 是样品的传热速率， 是黄铜盘的散热速率， T10、T20是热稳态样品上下表面温度。由此可知，只要求得热稳态时黄铜盘的散热速率 ，即可求得样品的导热系数。 黄铜盘的散热速率：

10. 式中 k是黄铜散热盘的冷却速率，m是黄铜盘质量，c是黄铜比热（c=3.77102J/kgk）。 那么样品的导热系数 d是样品盘的直径。

11. 3、散热盘冷却速率 冷却速率的定义是单位时间内温度的改变量 它和材料、表面情况、周围环境的温差有关。本实验中的k是稳态（T=T20）时的冷却速率，测量方法如下：测好T10、T20后将样品盘抽去，使发热盘与散热盘直接接触，使散热盘温度高于T20 ，再冷却，测出T-t变化关系，并作冷却曲线。

12. 温度T T20 时间t 稳态时散热面积 散热时散热面积 求出T=T20时切线的斜率K（即冷却速率） 注意：测冷却速率时，散热盘散热环境应和测稳态温度T10、T20时相同。散热面积不同时，应予修正。

13. FD-TC-Ⅱ型导热系数测定仪 游标卡尺 物理天平 测试样品：硬铝、橡皮圆盘 实 验 仪 器

14. 仪 器 简 介

15. 固定于底座上的３个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，在散热盘上安放一待测圆柱或圆盘样品，样品上再安放一加热圆盘；使样品上下表面维持温度T1、T２，T1、T２的值用安插在加热圆盘、散热铜盘深孔中的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动势。固定于底座上的３个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，在散热盘上安放一待测圆柱或圆盘样品，样品上再安放一加热圆盘；使样品上下表面维持温度T1、T２，T1、T２的值用安插在加热圆盘、散热铜盘深孔中的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动势。

16. 实 验 内 容 1、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径d和高度h。 2、用物理天平称衡散热盘的质量m。 3、安装、调整整个实验装置。 （1）将样品盘放在散热盘和发热盘之间，调节系统使样品盘上下两表面与散热盘和发热盘紧密接触。 （2）将铜-康铜热电偶热端插入散热盘和发热盘侧面小孔中，保证热电偶热端与铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶的冰水混合物中。

17. 4、测量稳态时样品盘上下两个表面的温度T1和T2。4、测量稳态时样品盘上下两个表面的温度T1和T2。 将发热板电源电压打到220V档，并打开冷却风扇。当发热盘温度达到4.00mV后即可将开关转换到110V档，每隔3min左右记录一次发热盘和散热盘的温度值（数字电压表的读数）。若连续10min发热盘和散热盘的温度保持不变（电压表读数末位数相差1~ 2），即可认为已达到热稳定状态。记下此时数字电压表的读数并查表得出相应的温度T1和T2 。

18. 5、测散热盘冷却速率。 取出样品，使发热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的T2高出约20℃（电压表读数约增加0.8mV）时，停止加热，移去加热盘，并覆盖原样品盘，让散热盘在风扇作用下冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。以时间为X轴，温度为Y轴作出散热盘的冷却曲线，画出经过冷却曲线上T2点的切线，其斜率即为温度T2时散热盘的冷却速率 。

19. 数 据 处 理 1、根据 计算及其不确定度，正确表示结果。 2. 将测得样品的与标准值0比较，计算 百分误差。

20. 注 意 事 项 1、热电偶丝较细，操作时应小心，以免折断。 2、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。 3、放置冰块时应小心轻放，以免打破杜瓦瓶。 4、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意避免烫伤。 5、在测冷却速率时，移开发热盘后必须将它紧紧固定在机架上，以防在实验过程中下滑而造成事故。

21. 问题与讨论 1、求冷却速率时,为什么要在散热盘稳态 温度附近选值？ 2、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？ 3、在测定散热盘的散热曲线时，若散热盘 上不覆盖原样品盘，对实验结果是否有 影响，为什么？