不良导体热导率的测定
不良导体热导率的测定实验报告
不良导体热导率的测定实验报告实验目的：1.了解不良导体的概念与特性；2.理解热导率的定义与计算方法；3.通过实验测定不良导体的热导率。
实验原理：不良导体是指导热性能较差的材料，其热导率远低于金属等良导体。
热导率是衡量材料导热性能的物理量，通常用λ表示。
热导率的单位为W/(m·K)，表示单位时间内单位长度材料导热的能量。
热流量是指单位时间内通过单位面积传导的热量，可用下式表示：q=λ·ΔT/d其中，q为热流量，λ为热导率，ΔT为温度差，d为热传导路径。
实验中，我们将使用一个热传导装置来测定不良导体的热导率。
具体而言，装置包含一个维持恒定温度的热源和一个铜棒，通过测量铜棒上的温度分布来计算热导率。
实验步骤：1.将热源温度设置为所需温度，保持稳定；2.将铜棒与热源接触，等待一段时间，使铜棒温度达到稳定；3.在铜棒上选取多个位置，使用温度计测量相应位置的温度，记录数据；4.根据测得的温度数据，计算热流量的梯度和热导率。
实验数据：温度测量位置温度（℃）1 202 403 604 805 1006 1207 1408 160实验结果与分析：根据测得的温度数据，我们可以计算出不同位置的温度差ΔT，并根据实验原理中的公式计算出相应位置的热流量q。
通过绘制q与位置之间的关系图，可以得到一个本质上线性的曲线，且曲线的斜率正比于热导率λ。
根据实验数据计算得到的热流量如下：位置热流量（W）1-2 102-3 103-4 104-5 105-6 106-7 107-8 10绘制热流量与位置之间的关系图，可以得到一条直线，从而确定热导率λ。
实验结论：通过本次实验，我们成功地测定了不良导体的热导率。
实验结果表明，不良导体的热导率远低于金属等良导体，这也说明了不良导体在绝缘材料、隔热材料等领域的应用潜力。
同时，通过实验测定的热导率数据，可以进一步分析不良导体的导热特性，为相关领域的热工设计提供依据。
不良导体的导热系数的测定
【
实 验 目 的
】
1. 学习一种测量不良导体导热系数的方法-稳态 法；体会绕过不便测量的量（使用参量转换法） 的设计思想。 2. 学会用最小二乘法求散热速率。
【
实 验 仪 器
】
游标卡尺（0~150mm，△游 =0.02mm）、 MCTH20型不良导体系数实验仪(散热盘质量 △m=1g，温度△T =0.01℃)
Q T cm t t T2
系统传热达到一种稳定状态时，联立式2.5.2和式2.5.3， 得
4 c m h T B 2 D T T ) tT T B( 1 2 2
（2.5.5）
由上式可知，关键是求散热盘在稳态温度T2附近时 的冷却速率 T t ，由式2.5.5可得样品的导热系数 。 测量冷却速率 T t 的方法：自然冷却法
样品任一横截圆面的传热速率为
散热盘在温度 T 时的散热速率由下式给出
dQ dT cm dt dt 2 c 3 . 8 5 1 0 J/(kg K )
其中，c为散热盘铜盘材料的比热容， m 为散热盘
d T 的质量， 表示散热盘在温度 T 冷却速率。 d t
散热盘在稳定温度 T
2
附近时的散热速率为 (2.5.3)
1 什么叫稳态导热？如何判定实验达到了稳定导热 状态？ 2 什么是传热速率、散热速率、冷却速率？这三者 在稳态测量时有什么内在联系？
【思考题 答 案】
1. 稳态导热”全称“稳定状态导热”，亦称“稳定导热”。 物体内各点的温度不随时间而变化的导热过程。 稳态时，加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根 据样品上下表面的温度（即加热盘和散热盘的温度）连续 10min内保持不变，判断实验达到了稳定导热状态。 2. 传热速率：单位时间内通过物体横截面的热量； 散热速率：物体单位时间内散失 的热量； 冷却速率：单位时间内物体温度的减少量。 三者之间的联系：根据热传导定律测量导热系数需要测 量传热速率，但是传热速率难于直接测量。稳态法测量导 热系数就是根据稳态时传热速率等于散热速率，通过测量 散热速率得到传热速率。而散热速率是通过测量在稳态时 散热盘的冷却速率求得的。
不良导体热导率的测量实验原理
不良导体热导率的测量实验原理导体的热导率是指导体传导热量的能力，是衡量导体导热性能的重要指标。
而对于不良导体，其热导率相对较低。
在实验中，我们可以通过测量不良导体的热导率来评估其导热性能。
本文将介绍不良导体热导率的测量实验原理。
实验原理：不良导体的热导率低主要是由于其内部存在大量的热阻碍，导致热量难以在内部传导。
因此，我们可以通过测量在不同条件下不良导体的温度变化来间接评估其热导率。
实验步骤：1. 准备实验样品：选择一个具有不良导热性能的样品，如橡胶、木材等。
2. 安装测温设备：在样品的不同位置安装温度传感器，以测量样品的温度变化。
传感器的数量和位置应根据实际情况确定，以保证测量的准确性。
3. 设置实验条件：调节实验室的环境温度，以及样品表面的温度，可以通过加热或冷却来控制。
4. 开始实验：在设定的实验条件下，记录样品各个位置的温度随时间的变化。
5. 分析数据：根据测得的温度数据，计算不同位置之间的温度差，并绘制温度变化曲线。
6. 计算热导率：根据温度差、样品几何尺寸以及样品的热传导特性，可以通过热传导方程计算出样品的热导率。
实验注意事项：1. 在安装温度传感器时，要确保其与样品的接触良好，以避免测量误差。
2. 在设置实验条件时，要注意控制环境温度的稳定性，以确保实验的可重复性。
3. 在数据分析过程中，要注意排除其他因素对温度变化的影响，如辐射热量的影响等。
4. 在计算热导率时，要确保所采用的热传导方程与实际情况相符合，以保证计算结果的准确性。
实验结果分析：通过实验测得样品在不同条件下的温度变化数据，可以计算出样品的热导率。
在不良导体的情况下，热导率相对较低，导致样品的温度变化较为缓慢。
而在良导体的情况下，热导率较高，导致样品的温度变化较快。
通过对比不同样品的热导率，可以评估其导热性能的优劣。
总结：通过不良导体热导率的测量实验，我们可以评估不同材料的导热性能。
这对于材料的选择和应用具有重要意义。
不良导体热导率的测量
不良导体热导率的测量一、引言热传导是物质内部能量传递的一种方式，热导率是描述物质热传导能力的重要物理量。
对于材料科学和工程领域来说，准确测量材料的热导率具有重要意义。
然而，对于不良导体（如聚合物和复合材料）的热导率测量却具有一定难度。
因此，本文将介绍不良导体热导率的测量方法及其原理。
二、不良导体热传导机制在普通金属中，电子是主要的载流子，在电子-晶格相互作用下实现了热传输。
但在不良导体中，由于载流子密度很低，因此电子-晶格相互作用并不能完全解释热传输现象。
此时，声子（即晶格振动）成为了主要的载流子，在声子-声子和声子-晶格相互作用下实现了热传输。
三、测量方法1. 稳态法稳态法是目前应用最广泛的测量不良导体热导率的方法之一。
该方法通过在样品两端施加恒定温差，并测量样品两端的温度差和电流，从而计算出样品的热导率。
该方法需要保证样品稳定地达到热平衡状态，因此需要较长时间进行测量。
2. 非稳态法非稳态法是一种快速测量不良导体热导率的方法。
该方法通过在样品中加入一个短脉冲热源，并测量样品温度随时间的变化，从而计算出样品的热导率。
该方法适用于材料热导率较低或样品尺寸较小的情况。
3. 激光闪光法激光闪光法是一种基于激光脉冲加热和红外相机检测温度变化的非接触式测量方法。
该方法适用于材料表面温度变化较大或材料形态不规则等情况。
四、实验步骤以稳态法为例，具体实验步骤如下：1. 制备样品：根据实验要求制备不良导体样品，并将其切割成适当大小。
2. 测量尺寸：使用卡尺等工具测量样品尺寸及厚度，并计算出其截面积。
3. 热电偶连接：将两个热电偶分别固定在样品两端，并保证它们与样品紧密接触。
4. 电流施加：在样品中加入适量电流，使其达到恒定状态。
5. 温度测量：使用数字温度计等工具测量样品两端的温度差，记录数据。
6. 计算热导率：根据测得的数据，利用热传导方程计算出样品的热导率。
五、注意事项1. 样品表面应平整光滑，以保证热传输的均匀性。
不良导体热导率的测定
计算样品的热导率 热导率。 2．计算样品的热导率。
18
19
8
测量散热盘的散热速率
达到稳态后，将样品取下， 达到稳态后，将样品取下， 与散热盘A 让加热盘 C 与散热盘A 直接 接触，给散热盘加热。 接触，给散热盘加热。当散热 的温度比Ｔ 高出若干度后， 盘A的温度比Ｔ2高出若干度后， T2 移走加热盘C 散热盘A 移走加热盘C。散热盘A向周围 散热，在散热盘散热的过程中， 散热，在散热盘散热的过程中， 记录一次散热盘温度， 每6０秒记录一次散热盘温度， 测得散热盘温度随时间变化的 散热盘A 散热盘A的冷却曲线图 一组数据， 一组数据，利用该数据组绘制 冷却曲线。 冷却曲线。 dT ∆T
大学物理实验
不良导体 热导率的测量
1
简介 实验原理 实验内容 基本要求
2
简 介
热导率 ：描述物质热传导性质的一个物理量。 描述物质热传导性质的一个物理量。 描述物质热传导性质的一个物理量 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。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态 方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态 法测量不良导体热导率。 测量不良导体热导率。 不良导体热导率 通过实验掌握用稳态法测量不良导体热导率的方法, 通过实验掌握用稳态法测量不良导体热导率的方法 掌握用稳态法测量不良导体热导率的方法 体会使用参量转换法的设计思想，了解用 体会使用参量转换法的设计思想，了解用AD590集成温度 使用参量转换法的设计思想 集成温度 传感器测量温度的方法。 传感器测量温度的方法。 测量温度的方法
n=
A
dt
T2
=
∆t
9
哪个散热盘的散 热速率大？ 热速率大？
根据热流速率与暴露在空气 中的表面积大小成正比， 中的表面积大小成正比， 可知： 可知：
不良导体热导率的测量
散热盘T2 （ 0C ）
30.5 30.6 30.7 30.8
温度差 （ 0C ）
30.3 30.4 30.4 30.4
实验内容——散热速率的测量
• 对散热盘直接加热，散热盘温度升高3~5度 即可停止加热；
• 每隔20秒记录一次散热盘的温度,直到被测 温度低于平衡点时散热盘温度2-3度时结束 测量。
电源插座 11 立柱 9
定位座 11
实验原理 不同材料测量示意图
6
不良导热体测量示意图 良导热体测量示意图
1. 加热器 2. 加热盘 3. 被测试件 4. 散热盘 5，6 热电偶（至测温仪）
1. 加热器 3. 保温层 5. 散热盘
2. 加热盘 4. 被测试件 6. 热电偶（至测温仪）
热导率测定仪加热与散热
常见的三种热传递方式：
热传导
对流
热辐射
稳定法测定热导率原 理图
假定温度T1 > T2，热流量应按箭头所指的方向 流动。开始时被测物体左端的热流量比右端要 大得多，随着时间的增加，被测物体各处热流 量的差别会越来越小，直到时间足够长时，系 统达到稳恒状态（流过被测物体所有截面上的 热流量应当相同）。
仪器照片
被测试样
温度测量仪
实验内容——稳恒态的测量
• 稳恒状态实际上是一个相对的概念（ t ≠ ∞ ）
• 加热电压值为交流60 ~ 80V(通过仪器面板设置)
• 每隔3分钟记录一次T2、 T1 ,在加热时间超过一小 时后，连续三次测量值T2 － T1不变，即可认为达 到稳恒态为止。
加热盘T1 （ 0C ）
mc
T
R
2 B
2 RB LB
热学实验3 不良导体导热系数测定
实验三 不良导体导热系数测定导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换（导热、对流和辐射）三种基本形式之一，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，要认识导热的本质和特征，就需要了解材料的导热机理。
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所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定，因此，在加热器、散热器、管道热传递设计等工程实践中具有实际意义。
1882年法国物理学家约瑟夫·付里叶(Joseph ·Fourier)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．了解热传导的基本规律及散热速率的概念； 2．学习稳态平板法测定不良导体导热系数；3．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。
【实验仪器和用具】智能导热系数测定仪，调压器，热电偶，保温杯，电加热盘，游标卡尺，待测样品。
【实验原理】当温度不同的两个物体相接触，或物体内部温度梯度存在时，物体间或物体内部就会发生热传导现象。
描述热传导规律的基本方程——付里叶方程，即当热流在x 方向流动时，可用一维方程描述，其形式为 ：s xdtdQ d )d d (θλ-= （2-1）其中，dtdQ 为在d t 时间内，热流穿过面元s d 的传热速率，xd d θ是沿面元垂直方向的温度梯度，“—”表示热量传递方向是从高温传向低温方向。
λ为物体的导热系数，其物理含义是：在单位时间内，每单位长度上温度降低1K 时，单位面积上通过的热量。
不良导体导热率的测量
热导率
R 2 h 1 h dT P P mc 2 2 R 2 h T RT P P 1 2 dt
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操作指南
一、实验装置
测温电路
AD590
5K
测量端
二、操作步骤
1.用游标卡尺测量样品和铜板的几何尺寸。
2.安装仪器，连接电路。 3.接通电源，加热。将输出电压调至180V， T 每隔3分钟读一次温度数值 T 1 和 2 ，若在 5分钟内，样品上下表面的温度基本保持不 变，可认为达到稳定传热状态，记下此时 的 T1 和 T 2
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基本要求
一、数据记录
散热铜盘质量m=_____________Kg
黄铜的比热c=________________ 稳定状态时T1=_____， T2=_____
样品尺寸
1 DP(cm) hP(cm) DB(cm) 2 3 4 5 平均
hB(cm)
散热铜板冷却过程
1 t(s) 2 3 4 5 6 7 8 ……
导（即传导的方向与温度梯度的方向相 反）。式中比例系数极即为热导率，亦 称导热系数。
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设计思路
本实验的关键是给样品造成一个稳定 的传热状态（如图）在此状态下，温度梯 度
dT T 1 T 2 dx h
T1、T2是样品上下表面的稳定温度，h是样 品的厚度。
样品的传热速率
R 2 R h dQ d Q dT P P mc dt dt dt 2 R 2 R h P P
大学物理实验
不良导体 导热率的测量
编制：郑小秋 缪萍
简介 预备知识
实反映材料导 热性能的物理量。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。 大体上分为稳态法和动态法。本实验采用 稳态法测量不良导体热导率。通过实验我 们可以加深对热传导规律的理解，体会使 用参量转换法的设计思想，掌握用温度传 感器测量的方法。
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不良导体热导率的测定
实验简介：
导热系数(又叫热导率)是反映材料热性能的重要物理量。
热传导是热交换的三种(热传导、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。
材料是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，某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与材料的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。
在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。
测固体材料热导率的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。
本实验的目的是了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。
实验原理：
图1
1、导热系数
1882年法国科学家傅里叶(J.Fourier)建立了热传导理论，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的基础之上的。
本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。
当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。
傅里叶指出，在dt时间内通过dS面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即：
(1)
式中为传热速率，是与面积dS相垂直的方向上的温度梯度，“-”号表示热量由
高温区向低温区域，λ是导热系数，表示物体导热能力的大小。
在SI中λ的单位是W·m-1·K-1。
对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的(常用张量来表示)。
2、不良导体导热系数的测量
图1是不良导体导热系数测量装置的原理图。
设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的
T1和T2(侧面近似绝热)，即稳态时通过样品的传热速率为：
(2)
式中hB为样品厚度，S B R2B为样品上表面的面积，(T1-T2)为上、下平面的温度差，λ为导热系数。
在实验中，要降低侧面散热的影响，就需要减小h。
因为待测平板上下平面的温度T1和T2是用传热圆筒A的底部和散热铜盘C的温度来代表，所以就必须保证样品与圆筒A的底部和铜盘C的上表面密切接触。
实验时，在稳定导热的条件下(T1和T2值恒定不变)，可以认为通过待测样品盘B的传热速率与铜盘C向周围环境散热的速率相等。
因此可以通过C盘在稳定温度T2附近的散热
速率，求出样品的传热速率。
在读取稳态时的T1和T2之后，拿走样品B，让C盘直接与传热筒A底部的下表面接触，加热铜盘C，使C盘温度上升到比T2高10℃左右，再移去传热筒A，让铜盘A通过外表面直接向环境散热(自然冷却)，每隔一段时间记下相应的温度值，求出C盘在T2附近的冷却
速率。
对于铜盘C，在稳态传热时，其散热的外表面积为，移去传热筒A后，C盘的散热外表面积为，考虑到物体的散热速率与它的散热面积成比例，所以有：
(3)
式中R C和h C分别为C盘的半径和高度。
根据热容的定义，对温度均匀的物体，有：
(4)
对应铜盘C，就有。
m铜和c铜分别是C盘的质量和比热容，将此式代入式(3)中，有：
(5)
比较式(5)和(2)，便得出导热系数的公式：
(6)
m铜、h B、R B、h C、R C、T1和T2都可由实验测量出准确值，本实验所用黄铜盘比热容为0.3709kJ/kg·K,因此，只要求出,就可以求出导热系数λ。
实验仪器:
本实验的主要仪器有:
主仪器
自耦调压器
数字电压表
杜瓦瓶
游标卡尺
电子秒表
主仪器：
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示:
拖动桌面上的橡胶盘可拖至主仪器的支架上
点击红外灯可调节红外灯的高度，在调节前应移除红外灯上的连线
点击保温筒可调节保温筒的位置，在调节前应将红外灯移至最大位置，并且同时移除加热铜盘上的连线
点击双刀双掷开关，可改变开关的位置
自耦调压器:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示：
鼠标左键或右键点击调压旋钮，调节输出电压。
数字电压表:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器
操作提示：
点击电源开关可打开或关闭数字电压表
点击大视图中的相关按钮，可进行相应的设置及调节(按下调零按钮，可点击调零旋钮对其进行调零；调零后即可选择合适的档位进行测量)
杜瓦瓶:
实际照片和程序中的显示
实际仪器仿真仪器游标卡尺:
实际照片和程序中的显示
实物照片仿真仪器
操作提示：
可以拖动副尺部分，改变测量卡口张开的大小
可以用鼠标左键或者右键点击锁定旋钮，来锁住或者解锁副尺
电子秒表:
实际照片和程序中的显示
实物照片仿真仪器
操作提示：
鼠标点击开始暂停按钮可以开始或者暂停计时
鼠标点击复位按钮可以对秒表复位
实验内容：
本实验的主要内容为测量橡胶盘的导热系数。
1．观察和认识传热现象、过程及其规律。
（1）用游标卡尺测量铜盘和橡胶盘的直径及厚度，多次测量，并求出平均值。
（2）熟悉各仪表的使用方法，按图1连接好仪器。
（3）接通自偶调压器电源，缓慢转动调压旋钮，使红外灯电压逐渐升高，为缩短达到稳定态的时间，可先将红外灯电压升到200V左右，大约5min之后，再降到110V左右，然后每隔一段时间读一次温度值，若10min内T1和T2的示值基本不变，则可以认为达到稳定状态。
记下稳态时的T1和T2值。
随后移去橡胶盘B，让散热C盘与传热筒A的底部直接接触，加热C盘，使C盘的温度比T2高约10℃左右，把调压器调节到零电压，断开电源，移去传热筒A，让C盘自然冷却，每隔30s记一次温度T值，选择最接近T2前后的各6个数据，填入表格中。
2．用逐差法求出铜盘C的冷却速率，并由公式(6)求出样品的导热系数λ。
3．绘出T-t关系图，用作图法求出冷却速率。
4．用方程回归法进行线性拟合，求解冷却速率及其误差,将结果代入式(6)中，计算橡胶盘的导热系数λ。
思考题:
1 试分析实验中产生误差的主要因素以及实验中是如何减小误差的？
2傅里叶定律(传热速率)是不易测准的量。
本实验如何巧妙地避开了这一难题?。