准稳态法测定材料的导热系数
一、实验目的
1、通过实验，掌握准稳态法测量材料的导热系数和比热容的方法；
2、掌握使用热电偶测量温度的方法；
3、加深对准稳态导热过程基本理论的理解。
二、实验原理
本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ(图中为2b)，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：
2
2)
,(),(x
x t a x t ??=??τττ
0=τ时, 0t t =
x=0处， 0=??x
t
δ
=x 处，
c q x
t
-=??-λ
方程的解为：
)]exp()cos(2)1(63[),(02211
220F x
x a q t x t n n n n c μδμμδδδδτλτ--+--=-+∞
=∑ （1）
式中： τ—时间(s)； λ—平板的导热系数(w/m ?℃)；
a —平板的热扩散率(m 2/s)； n μ—πn n=1，2，3，……；
F 0—
2
δτ
a 傅立叶准则； t 0—初始温度(℃)； c q —沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m 2)；
随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。 当F 0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成：
)61
2(),(2220-+=-δ
δτλδτx a q t x t c （2）
由此可见，当F 0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是
常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。
在准稳态时，平板中心面x=0处的温度为：
)6
1
(),0(20-=
-δτλδτa q t t c 平板加热面x=δ处为：
)3
1
(),(20+=
-δτλδτδa q t t c （3） 此两面的温差为：
λ
δ
ττδc q t t t ?=
-=?21),0(),( 如已知q c 和δ，再测出Δt ，就可以由式（3）求出导热系数：
t
q c ?=
2δ
λ （4） 根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：
τ
ρδ
d dt CF F q c = 式中：F 为试件的横截面(m 2)；
C 为试件的比热(J/kg ?℃)； ρ为试件的密度(kg/m 3)；
τ
d dt
为准稳态时的温升速率(℃/s)； 由上式可得比热： τ
ρδd dt q c c
=
三、实验装置
按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下：
1）试件
试件尺寸为100mm×100mm×δ，共四块，尺寸完全相同，δ=10mm。每块试件上下面要平齐，表面要平整。
2）加热器
采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20μm，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70μm。其电阻值稳定，在0—100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是100㎜×100㎜的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。
3）绝热层
用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1，4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式（4）中的热量q c等于一个加热器发出热量的0.5倍，即两个加热器发出热量的0.25倍（除以导热面积）。
4）热电偶
利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温升速率，热电偶由0.1㎜的康铜丝制成。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐。热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。
四、实验步骤
1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度δ；
2、按图2放好试件、加热器和热电偶，接好电源；
3、测量试件壁温和温差。测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温；
4、接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定）。记录温度和加热电压电流。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为10～20分钟），系统进入准稳态，此时温差的数值（即式（4）中的温差Δt）几乎保持不变。
5、第一次实验结束，将加热器开关切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。
6、实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。
五、实验注意事项
q，加热器电流和电压不能变化；
1、实验过程中，为保持恒定的
c
2、计算材料导热系数所需的温差必须是系统进入准稳态时的温差；
3、若实验中途失败，须待试件冷却至室温后（4小时以上）才能进行再次实验。
六、实验数据记录和处理
室温t0：[℃] 加热器电流I：[A] 加热器电压U：[V]
试件截面尺寸F：0.01 [㎡] 试件厚度δ：0.01 [m]
3
建筑物理实验一 材料导热系数测试
实验一材料导热系数测试【实验目的】
[实验步骤] 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、先放置好待测样品及下铜板（散热盘），调节下圆盘托架上的三个微调螺丝，使待 测样品与上下铜板接触良好。热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好。 3、温度表控制升温步骤：（一）设置程序：按“←”键一下即放开，仪表就进入设置 程序状态。仪表首先显示的是当前运行段起始给定值，可按“←”、“↓”和“↑” 键修改数据。按“）”键则显示下一要设置的程序值，每段程序按“时间-给定值-时问-给定值”的顺序依次排列。按“←”键并保持不放2秒以上，返回设置上一数据，先按“←”键再接着按“）”键可退出设置程序状态。在程序运行时也可修改程序。在运行中，在恒温段如果改变给定值，则要同时修改当前段给定值和下一段给定值，如果要增加或缩短保温时间，则可增加或减少当前段的段时间。在升降温段如果有改变升降温斜率，可根据需要改变段时间，当前段给定温度和下一段的给定温度。例如：C01=开始实测温度，T01=（实验温度-开始实测温度）/升温速率，C02=实验温度，T02=恒温时间（可设8000），C03=实验温度，T03=-121。（二）运行：如果程序处于停止状态（下显示器交替显示“stop”），按“↓”键并保持2秒钟，仪表下显示器将显示“run”的符号，则仪表开始运行程序。（三）停止程序运行：如果程序处于运行状态，按“↑”键并保持2秒钟，仪表下显示器将显示“stop” 的符号，此时仪表进入停止状态。 (参照智能温度控制器使用说明书)。（四）合上“加热开关”，对上不锈钢板进行加热。 4、上不锈钢板加热到设定温度时，（1）观察上不锈钢板的温度。当上不锈钢板的温度 保持不变时（可通过加热板温度显示来观测），记录下此时上不锈钢板的温度（T1），在不断地给高温侧不锈钢板（上不锈钢板）加热，热量通过样品不断地传到低温侧铜块（下铜块），经过一定的时间后，当下铜板的温度基本不变时，记录下此时下铜板的散热板温度值（T2）。此时则可认为已达到了稳态。（大约在五分钟内下铜板的温度保持不变） 5、移去样品，继续对下铜板加热，当下铜盘温度比T2高出10℃左右时（高温时要多些）， 移试样架，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。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T2以下一定值。作铜板的T-t冷却速率曲线。（选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率）。 6、根据（S1-4）计算样品的导热系数λ，或数据输入计算机计算。
非稳态(准稳态)法测材料导热性能实验
非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验 一、实验目的 1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。 2．快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。 3、掌握使用热电偶测量温差的方法。 二、实验测试原理 本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（如下图所示）。 根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)可由下面方程组解 得； 方程组的解为： 式中：τ——时间；λ——平板的导热系数； α——平板的导温系数；t 0——初始温 度； —傅立叶准则； δβμn n = ，n=1，2， 3…； q c ——沿X 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。 随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F 0＞0.5时，级 数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成 （2） 由此可见，当F 0＞0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变 化的速率是常数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。 在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为： 平板加热面X=δ处为： 此两面的温差为： （3） 已知q c 和δ，再测出△t ，就可以由式（3）求出导热系数： （4） 实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认 为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以) 1()]exp()cos(2)1(63[),(2211220o n n n n n c F x x q t x t μδμμδδδδατλτ--+--=-+∞=∑)612(),(222-+=-δδατλδτx q t x t c o q q t t t a q t t c c c o ?=??=-=?+=-21),0(),()3 1(),(2δλλδττδδτλδτδ2δ ατ=F
物理实验报告-稳态法导热系数测定实验
稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。 数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。“RST”复位键：复位数据，重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器)，并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。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板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： 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，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率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 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。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，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，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。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铜板加热，使其温度高于稳态温度 T2（大约高出 10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于 T2，测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出 T —t 曲线（见图 2），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是，这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度），然而， 设样品截面半径为R ，在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R
