稳态导热测量方法.pdf
稳态法导热系数测量实验原理
稳态法导热系数测量实验原理导热系数是衡量物质导热性能的重要物理量，它描述了物质传热的能力。
稳态法是一种常用的测量导热系数的方法，在实验中通过测量样品两侧的温差和导热平衡时的热流量，可以准确计算出导热系数。
稳态法实验原理基于热传导定律和热阻的概念。
根据热传导定律，物体内部的热传导速率与温度梯度成正比，且与物体的导热系数成反比。
而热阻则表示物体阻碍热传导的程度，是热传导速率与温度差的比值。
稳态法实验利用了这两个概念，通过测量样品两侧的温度差和热流量，求解出热阻，再通过已知的样品尺寸和热阻，计算得到导热系数。
稳态法实验的主要步骤如下：1. 准备样品：选择具有一定导热性能的样品，如金属棒或热绝缘材料。
样品的尺寸和形状应符合实验要求，以保证实验结果的准确性。
2. 搭建实验装置：将样品固定在两个热源之间，保证样品两端与热源接触良好。
同时，通过绝缘材料隔离样品与外界的热交换，以确保实验过程中的稳态条件。
3. 测量温度差：在样品两端分别安装温度传感器，实时监测样品两侧的温度。
在稳态条件下，记录下样品两侧的温度差，作为后续计算的基础数据。
4. 测量热流量：通过热量计或热电偶等仪器，测量样品两侧的热流量。
在稳态条件下，热流量恒定不变，可以准确记录。
5. 计算热阻：根据热阻的定义，热阻等于温度差与热流量的比值。
将测得的温度差和热流量代入计算公式，得到样品的热阻。
6. 计算导热系数：已知样品的尺寸和热阻，可以通过热传导定律的公式，计算出样品的导热系数。
在稳态法导热系数测量实验中，需要注意以下几点：1. 保持稳态条件：为了获得准确的测量结果，实验过程中必须保持稳态条件。
即样品两侧的温度差和热流量保持恒定不变。
2. 考虑热辐射：在实验中，需要考虑样品与周围环境之间的热辐射问题。
通过合理选择绝缘材料和控制环境温度，减小热辐射对实验结果的影响。
3. 样品的选择：不同的样品具有不同的导热性能，选择合适的样品对于实验结果的准确性至关重要。
稳态法测量不良导体的导热系数
dQ
dT
mc
dt
dt
T2
四、实验原理
➢ 2、考虑散热盘自由冷却与稳态时的散热面积不同，导热系数计
算公式修正为：
dT
mc
dt
T2
(RP 2hP ) 4hB
1
(2RP 2hp ) (T1 T2 ) d B2
式中：m为铜盘的质量；
1
c为铜盘的比热容，c 3.80 10 J kg K
避免烫伤。
2
Rp hp分别为铜盘的半径和厚度；
dB hB分别为待测样品的直径和厚度。
1
五、实验步骤
➢1. 用游标卡尺测量待测样品B及散热铜盘P的几何尺寸，用天平测出铜盘质
量m。
➢2. 取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间。
➢3. 加热盘的温度上升到设定温度值时，在10分钟或更长的时间内加热盘和散
热盘的温度值基本不变，达到稳定状态。
W.m-1.K-1 ，不良导体如橡胶导热系数为0.22 W.m-1.K-1。
本实验采用稳态法测定不良导体的导热系数，即利用热源传热在待测样品内部形成
稳定的温度分布，然后进行测量。
二、实验目的
➢ 1. 通过实验掌握用稳态法测量不良导体导热系数的方法。
➢ 2. 体会参量转换法的实验设计思想。
➢ 3. 掌握FD-TC-B型导热系数测定仪的使用方法。
➢4. 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，再设定
温度到80 ℃，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的
值 左右即可。
五、实验步骤
➢5. 移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，由临近 值的温度数据计
算散热盘冷却速率
稳态法测量导热系数
稳态法测量导热系数方案
分析：
由傅里叶定律可知，要想得出材料的导热系数，首先得知道通过材料上的热流密度q 及其材料的温度变化率/t x 。
热流密度是指单位时间内通过单位面积的热量，热量可由电功率计算，即可通过电压电流表间接测出，面积可由尺具测出。
温度变化率可由测温仪器和计时表测出。
热源可由温度可控的电热管提供。
测量方案：
1. 主要实验器材
电热管、保温箱、电流表、电压表、测温器、计时表
2. 实验步骤：
1.前期准备
检查实验设备能否正常工作，对于固体工件可对其表面进行打磨处理，减少工件表层氧化膜对工件正常导热造成影响，对于液体材料要保证装乘器皿要足够清洁，同时应将实验处的门窗关上，减小实验误差。
2.测量材料导热面积和温度
使用尺具测量材料的边界温度并计算出其面积A ，使用测温仪器测量出材料的初始
中心温度0T
3.加热材料
将电热管的加热温度设定为T 并在保温箱里对材料进行加热，同时用计时表开始计
时，每格t 便对材料的中心处进行温度测量，记录下相应的温度12,,n T T T ……并对
所测得的温度值进行观察。
4.测量热流量
当材料被加热一段时间后，当材料温度超过某一个测得温度后不在升高或者变化幅
度很小的时候，再测5组温度值，并用电流电压表测出材料两端的电流I,电压V 。
5.结束测量
关掉电源停止加热，清理实验设备。
3. 数据处理
将最后测得的5组温度值取平均数得T ，并求出从初始加热到倒数第6组温度所需
要的时间t,则材料的导热系数为：
/(/)IU A T t λ=-
4. 结论
将所测得的温度与标准值进行对比并分析误差。
准稳态法测量比热和导热系数
准稳态法测量比热和导热系数
比热和导热系数是材料物理性质中的两个重要参数。
比热是指单位质量物质在温度变
化下吸收或释放的热量，而导热系数是指在温度梯度下单位面积材料所传导的热量。
准稳
态法是一种常用的测量比热和导热系数的方法。
准稳态法的原理是将材料置于热源和冷源之间，使其温度从热源端到冷源端逐渐降低。
在稳态时，材料的温度分布和热流分布达到了平衡状态，此时材料的导热系数和比热可通
过测量温度和热流来计算得到。
具体实验步骤如下：
1.在实验装置的热源端和冷源端分别接上热源和冷却器，并在中间加装被测材料。
2.启动热源和冷却器，使其保持恒定的温度。
3.通过热电偶等温度计测量被测材料的温度分布。
通常可以在材料表面粘贴一定数量
的热电偶，并通过微型电脑采集数据。
4.通过热流计测量热源和冷源之间传导的热流。
热流计是一种基于热电效应的电子仪器，可以测量电导率和温度梯度来计算热流。
5.通过实验数据计算被测材料的比热和导热系数。
根据热传导定律，可以将热流和导
热系数表示为以下关系：Q=λ×A×(T1-T2)/L，其中Q为热流，λ为导热系数，A为横截
面积，T1和T2分别为热源和冷源的温度，L为材料长度。
由于准稳态法测量过程中需要维持恒定的温度和热流，因此实验装置的设计和操作都
需要具备一定的技术水平。
此外，不同材料的比热和导热系数可能有很大的差异，因此在
实验计算中需要注意各项参数的精确度和精度。
准稳态法测导热系数和比热_
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【实验内容和步骤】1、调整实验装置（1）用万用表检查两只热电偶冷端和热端的电阻值大小，一般在3～6欧姆内。
（2）戴好手套，将冷却好的样品放进样品架中，并压紧。
热电偶的测温端应样品的中心位置。
在保温杯中加入自来水，水的容量约在保温杯容量的3/5为宜。
连接电路。
（3）开机预热10分钟，设定加热电压。
2、测定样品的温度差和温升速率（1）将测量电压显示调到“热电势”的“温差”档位，如果显示温差绝对值小于0.004mV，打开“加热控制”开关，每隔1分钟记录一次中心面热电势和温差热电势，直至准稳态过程结束。
（2）换样品重复一次实验。
3、数据处理准稳态的判定原则是温差热电势和温升热电势趋于恒定。
根据准稳态时的温差热电势Vt 值和每分钟温升热电势ΔV值，计算待测样品的导热系数和比热容。
注意事项在取样品的时候，必须先将中心面横梁热电偶取出，再取出实验样品，最后取出加热面横梁热电偶。
严禁以热电偶弯折的方法取出实验样品，这样将会大大减小热电偶的使用寿命。
思考题1．试述准稳态法测不良导体导热系数的基本思想方法和优点？2．实验过程中，环境温度的变化对实验有无影响？为什么？3. 本实验中，如何判断系统进入了准稳态，即准稳态的条件是什么？下载文档原格式(PDF原格式，共1页)相关文档•稳态法测导热系数•稳态法测量导热系数•稳态法测金属导热系数•非稳态法导热系数•稳态导热测量方法••••••••••••••••••••更多"" ••••••••••••••更多"" •••••••••••••••更多"" ••••••••••••••••••••更多""•••••••••••••更多""相关文档推荐：•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••© 2022 本站资源均为网友上传分享，本站仅负责分类整理，如有任何问题可通过上方投诉通道反馈。
稳态法测固体的导热系数
cmKh ( D 4 ) 1 D 2 ( T T )( D 2 ) 1 2 2
c——下铜盘的比热容； m——下铜盘的质量； K——可由冷却曲线直接查出； h——待测物B的厚度； T1, T2——待测物上、 下面的温度； D, δ——下铜盘的直径和厚度.
实验步骤
• 1) 安置圆筒、 圆盘.热电偶. • 2) 对YBF2型导热系数测试仪SV进行设定. • 3) 当加热圆筒冷却到接近室温时， 移去样品， 再对下铜盘加热至温
度比T2(最高值)高出5℃左右
• 4)画出冷却曲线， • 求出T=T2时， 该点对应的冷却曲线的斜率K值， 代入公式， 求 出导热系数. • 5) 用游标卡尺多次测量待测物厚度h,下铜盘的直径D、 厚度δ， 然 后取平均值.
稳态法测固体的导热系数
实验目的
① 学会利用物体的散热速率求热传导速率； ② 掌握稳态法测定固体的导热系数.
实验仪器
YBF2型导热系数测试仪1台，
保温杯1只，
待测样品若干， 测片1把.
实验原理
导热是物体相互接触时， 由高温部分向低温部分传播热量的过程. 一个物体如果 两端接触温度不同的物体， 那么热量就经过该物体， 从高温端传到低温端. 物 体导热的机理与物质内分子的热运动有直接关系， 在温度高的一端， 物质分子 的热运动比较剧烈(对固体来说， 是分子的振动)，它们与高温端稍远一点而运 动较慢的相邻分子相互碰撞， 将一部分能量传给相邻分子，相邻的这些分子又 通过碰撞， 将一部分能量传给更远的分子， 所以， 热运动的能量由物体的热 端向冷端传递. 当温度的变化只沿着一个方向(设z方向)进行的时候， 热传导的 基本公式可以写为
数据记录
min E1 T1 E2 T2 0-3 3-6 6-9
实验讲义稳态法测固体的导热系数
稳态法测固体的导热系数热传导是热量传递的三种基本形式之一，是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下由于温差引起的热量的传递过程，其微观机制是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。
在金属中自由电子起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
法国科学家傅里叶（J.B.J.Fourier 1786——1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解析理论》中详细的提出了热传导基本定律，指出导热热流密度（单位时间通过单位面积的热量）和温度梯度成正比关系。
数学表达式为：T grad q λ-=此即傅里叶热传导定律，其中q 为热流密度矢量（表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量），λ是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， λ在数值上等于每单位长度温度降低1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是11K m W --∙∙ 。
一般说来，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。
因此，某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。
在科学实验和工程设计中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导热系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方法来精确测定。
测量导热系数的方法很多，没有哪一种测量方法适用于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。
要得到准确的测量值，必须基于物体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方法。
测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。
稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。
非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用物体已知的密度和比热，求得导热系数。
本实验采用稳态平板法测量物体的导热系数，该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性。
稳态法测量热导率
橡皮样品厚度（不同位置） 平均值 hB/mm 8.07 8.07 8.06 8.05 8,05 8.06 8.06
橡皮样品直径（不同角度测量） 平均值 dB/mm 129.22 128.82 128.92 128.16 129.00 128.99 128.85
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 摄氏度。 1=50.5摄氏度.样品下表面温度 =37.3 2
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值20摄氏度以上 后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t 的下降情况，求出散热盘在 率为 时的冷却速率，则散热盘 P在 时的散热速 2
2
Q mc t t
设稳态时，样品的上下平面温度分别为 时间内通过样品的热量满足下式：
、 ，根据傅立叶传导方程，在 1 2
Q 1 2 1 2 2 S dB t h 4h
式中为样品的导热系数 ， 为样品的厚度， S为样品的平面面积，实验中 hB
样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为
2
mc t
2
R 2R h 2R 2R h
2 p 2 p p p p p
所以样品的导热系数为：
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采用实验方法确定材料导热系数的方法主要分为两大类:稳态法和非稳态法
1稳态法:
试件内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试件的导热系数。
基于傅立叶导热定律描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括：热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等。
各种不同的导热系数测试方法都有其自身的优点、局限性、应用范围和方法本身所带来的不准确性。
稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量，缺点是比较原始、测定时间较长和对环境（如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等）要求苛刻。
常用于低导热系数材料的测量，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数。
1.1热流法
热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。
如图1所示，将厚度一定的方形样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。
当冷板和热板的温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量，根据傅立叶定律即可确定样品的导热系数：
图1
该法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料，例如各种保温材料。
在测试过程中存在横向热损失，会影响一维稳态导热模型的建立，扩大测定误差。
优点：易于操作，测量速度快。
缺点，适用温度和测量范围有限。
1.2保护热板法
保护热板法的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。
对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流计法测定，该法原理与热流计法相似，不同之处是用在周围包上绝热材料和保护层（也可以用辅助加热器替代），从而保证了样品测试区域的一维热流，提高了测量精度和测试范围。
但是该法需要对测定单元进行标定。
适用于干燥材料，一般采用双试件保护平板结构，在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板一块，如图2所示，
图2
试件周围包有保护层，主加热板周围环有辅助加热板，使辅助加热板与主加热板温度相同，以保证一维导热状态。
当达到一维稳态导热状态时，根据傅立叶定律可得：
在已知样品尺寸、主加热板加热功率后，利用热电偶测得两样品上下表面的温度，由上式即可求得材料在T m温度时的导热系数。
优点：该法可用于温度范围更大、量程较广的场合，误差较小且可用于测定低温导热系数。
缺点：稳定时间较长，不能测定自然含水率下的导热系数。
需先对样品进行干燥处理。
样品厚度对结果精度有较大影响。
在用该法对不良导体的导热系数测定时，发现试样厚度对导热系数有很大影响，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。
同时，试样侧面的绝热条件对结果的误差也有很大影响。
1.3圆管法
圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。
要求被测材料应该可以卷曲成管状，并能包裹于加热圆管外侧，由于该方法的原理是基于一维稳态导热模型，故在测试过程中应尽可能在试样中维持一维稳态温度场以确保能获得准确的导热系数。
为了减少由于端部热损失产生的非一维效应根据圆管法的
要求，常用的圆管式导热仪大多采用辅助加热器，即在测试段两端设置辅助加热器，使辅助加热器与主加热器的温度保持一致，以保证在允许的范围内轴向温度梯度相对于径向温度梯度的大小，从而使测量段具有良好的一维温度场特性。
其结构如图所示。
根据傅立叶定律，在一维、径向、稳态导热的条件下，管状材料的导热系数可由下式得出：
在实验中，测定应在传热过程达到稳态时进行，同时加热圆管的功率要保持恒定，试样内外表面的温度可由热电偶测出。
另外，为保证热流在被测材料中的单向性，试样外表面温度应该控制在环境温度以下。
优点：通过实验对保护热板法和圆管法进行比较后，发现对于相同材料，圆管法测得的导热系数要大于保护热板法，且当绝热材料用于管道上时，圆管法更好地反映了其结构导热系数。
缺点：由于普通圆管法需要安装自控装置来调控辅助加热器的功率，使得实际测试过程时间较长，设备成本较高。