非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验
准稳态法测不良导体的导热系数和比热预习报告
准稳态法测不良导体的导热系数和比热预习报告实验目的1. 了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的原理，并通过快速测量学习掌握该方法；2. 掌握使用温差电偶测量温度的方法。
一． 实验原理1. 热传导物体相邻部分间存在温度差，在各部分之间不发生相对位移的前提下，仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递成为热传导。
如图1所示的两个表面均维持均匀恒温的平板的一维稳态导热问题，对于x 方向的任意厚度的微元层来说，由傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热量Q 与该处的温度变化率d t /d x 及平板面积F 成正比。
Q =−λF d tx式中比例系数λ即材料的导热系数（导热率），负号表示热流方向与温度梯度d t /d x 方向相反，定义单位时间内通过单位面积的热流量为热流密度，记为q ，则图1情况下有：q =Q =−λd t x由此可知导热系数的物理意义是：在单位温差梯度影响下物体内产生的热流密度单位为W/(m ∙K)。
材料的导热系数会随温度变化，除铝、水等少数物质外的大部分固体、液体的导热系数会随温度升高而下降，气体的导热系数会随温度的升高而升高。
图12. 一维导热模型本实验采用比较简单的一维无限大平板导热模型进行λ的测量。
如图2，假设有厚度为2R 的无限大平板，原始温度为t 0，从平板的两端面以相同功率的能产生均匀热流的加热器加热，表面热流密度恒为q c ，板内温度分布必以中心截面为对称面，则可以写出x 方向的热传导微分方程，并依据初始条件求出任何瞬时沿x 方向的温度分布函数t(x,τ)，τ为时间变量。
3.热传导方程及求解∂t(x,τ)∂τ=a∂2t(x,τ)∂x(0<x<R,τ>0) （式4）初始条件t(x,τ)τ=0=t0（式5）边界条件q c=λ∂t(x,τ)∂x x=R（式6）λ∂t(x,τ)∂x x=0=0（式7）式中a=λ/cρ为热扩散率（或称热扩散系数），单位为m2/s，c为比热容，单位为J/(kg∙K)，ρ为密度，单位为kg/m3。
《大学物理实验》准稳态法测量不良导体的导热系数和比热
自由电子出来进去 动态平衡
一层电子气， 一个电偶层（约10 -10m厚）
电子要逸出金属，必须克服金属表面层内正离子晶体 点阵势井和表面电偶层电场作功，称为逸出功。 10
逸出功与表层电势差的关系为 A=eU*
不同金属的逸出功A不同，逸出 电势U*不同。
2、自由电子数密度不同
“电子气”扩散，金属2中的电子将 多于金属1中的电子。
接触电势差为 U12 (T, n1 ,n2 )
接触面上有一种把正负电荷拉开的非静电力，相当 于一个电源，其电动势
= U12(T, n1 , n2)
11
温差电现象：把两种金属接成闭合回路，若两个接
点A、B处的温度相同，则回路中无电动势；若两 个接点A,B处的温度不同，则回路中有电动势，也 有电流。
3)四块样品组合有利于 在加热面、中心面中 心安装测温元件
① ②③④
O
x
样 样样 样
品 品品 品
加热面热偶 中心面热偶
9
热电偶测温原理
介绍概念：接触电势差 温差电现象 接触电势差：两种不同的金属接触时会出现电势差
产生的原因：逸出功不同,自由电子数密度不同. 1、逸出功 金属表面层内存在着一种阻止电子逸出 表面的作用力 正离子晶体点阵势井
t t( R, ) t( 0, ) qc R 2
qc R 2t
准稳态时利用中心面（x=0）的温升速率可以 计算材料比热c
qc F
cRF
dt
d
c qc
R t x0
8
实验装置及特色
1)实验样品长宽均为厚 度R的9倍可忽略长宽 非无限大
绝热泡沫
加热器 绝热泡沫
2)采取四块样品紧密组 合由两个阻值一致的 薄膜加热器并联供热， 以保证两加热面向中 心的加热热流恒定并 对称相等
准稳态法测不良导体的导热系数和比热
1实验目的1.了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的原理，并通过快速测量学习掌握该方法。
2.掌握使用温差电偶测量温度的方法。
2实验数据记录与处理2.1数字万用表的练习使用实验中的交流信号是正弦波，有效值设为1V，频率设为1000Hz。
测量对象测量值量程精度不确定度完整测量结果交流电压有效值0.98058V2V0.2+0.050.00296V(0.98058±0.00296)F 交流信号频率999.96Hz20Hz-2kHz0.01+0.0030.16Hz(999.96±0.16)Hz电阻10.9289kΩ20kΩ0.020+0.0040.0023kΩ(10.9289±0.0023)kΩ电容1.046µF2µF1+0.50.020µF(1.046±0.020)µF二极管正向导通电压0.5826V0-2V0.06+0.0200.0007V(0.5829±0.0007)V表1:数字万用表的练习使用数据记录以电阻测量值为例计算，读数为10.9289kΩ，量程为20kΩ，精度为0.020+0.004，则∆R=0.020%×10.9289+0.004%×20.0000=0.0023kΩ最终得到R=(10.9289±0.0023)kΩ，其他测量值的不确定度计算过程类似。
3测导热系数和比热容3.1实验前的准备实验样品为有机玻璃，长宽L=W=90mm，厚度R=10mm，密度ρ=1196kgm3。
室温t0=19.9◦C。
中心面热电偶电阻为3.296Ω，加热面热电偶电阻为3.124Ω，冷端热电偶电阻为4.136Ω，并联而成的加热薄膜电阻r/2=55.071Ω。
加热前，测得加热面和中心面的温差U1(t2,t1)=4µV<10µV，故不必进行零位修正。
加热前，加热薄膜电压U前=17.9928V，∆U前=0.015%×17.9928+0.004%×20.0000=0.0035V；加热后，加热薄膜电压U后=17.9932V，∆U后=0.015%×17.9932+0.004%×20.0000=0.0035V。
非稳态准稳态法测材料的导热性能实验
非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验非稳态(准稳态)法是一种测量材料导热性能的实验方法，它通过在材料的一侧施加热量，测量另一侧的热流量来计算材料的导热系数。
这种方法相对于稳态法，具有设备简单、操作方便、测量速度快等优点。
下面是关于非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验的详细描述。
一、实验目的本实验的目的是通过非稳态(准稳态)法测量材料的导热性能，包括导热系数、热扩散系数和比热容等参数。
这些参数对于材料的热设计、能源利用和工程应用具有重要意义。
二、实验原理非稳态(准稳态)法基于热传导的傅里叶定律，其基本公式为：q=-k AΔT/L，其中q为热流量，k为导热系数，A为传热面积，ΔT为两侧温度差，L为材料的厚度。
在实验中，通过测量材料的传热面积和两侧温度差，可以计算出材料的导热系数。
三、实验步骤1.准备材料：选择待测材料，并准备相应的支架、加热器和温度传感器等设备。
2.安装样品：将待测材料放置在支架上，将加热器和温度传感器分别与材料的两侧接触，并固定好。
3.开始测量：打开加热器，使加热器输出的热量均匀地施加到材料的左侧，同时使用温度传感器测量材料的右侧温度。
记录下加热时间和温度变化。
4.数据处理：根据测量的数据，绘制温度随时间变化的曲线。
通过曲线可以计算出材料的导热系数、热扩散系数和比热容等参数。
四、实验结果与分析通过实验测量和数据处理，我们可以得到待测材料的导热系数、热扩散系数和比热容等参数。
这些参数可以用来评估材料的导热性能和热特性。
例如，导热系数高的材料可以更好地传递热量，适用于需要高效散热的场合；比热容大的材料可以吸收更多的热量，适用于需要储存和释放热量的场合。
在分析实验结果时，需要注意以下几点：1.实验结果的准确性受到多种因素的影响，如测量设备的精度、环境温度和湿度等。
因此，需要对实验结果进行误差分析，以确定其可信度。
2.对于不同种类的材料，其导热性能和热特性可能存在差异。
因此，需要对不同种类的材料进行分别测量和分析。
用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告
用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告实验目的本实验旨在通过准稳态法来测量介质的导热系数和比热。
实验原理介质热传导定律可以表示为:$\frac{dQ}{dt}=-kA\frac{dT}{dx}$其中$dQ$表示通过横截面$A$传导的热量、$dT/dx$表示温度梯度，$k$表示介质的导热系数。
考虑一根长为$L$、半径为$r$的柱形介质，将其放置在恒定温度$T_1$的热源上，使其与热源建立稳定热流，由于介质与外界的热交换可能会影响温度场的分布，但如果用温度计沿柱形介质的径向测量，可以保证温度场分布近似于径向对称的形态。
当恒定稳态建立后，热传导方程的解析解可以表示为:$T(r)=T_1+\frac{dQ}{2\pi kL}ln{\frac{r}{r_0}}$其中$r_0$表示温度计的距离。
同时根据恒定稳态条件，热流向是恒定的，可以通过测量温度差得到热流，即:$q=-k\frac{A}{\Delta x}(T_2-T_1)$其中$A$表示圆柱体的横截面积，$\Delta x$表示$\Delta T$的距离。
结合以上两式，可以得到介质的导热系数$k$为:$k=\frac{qd}{2\pi T_1 L ln{\frac{r_2}{r_1}}}$其中$d$为材料的直径，$T_1$为热源的温度，$r_1$和$r_2$为温度计的测量位置。
而比热则是通过热平衡条件给出的:$q_1t_1=q_2t_2$其中$q$为热流，$t$为温度，1和2表示两个状态。
在本实验中，温度上升了$\Delta T$，热流在某一时间间隔$t$内对介质的热量为$q=mC_p\Delta T$，其中$m$为穿过某一截面的质量，$C_p$为比热容。
因此可以得到比热:$C_p=\frac{q}{m\Delta T}$实验步骤1.准备材料：圆柱形样品和两台K型热电偶。
2.组装实验装置：将圆柱形样品嵌入加热炉中，将热电偶分别穿过样品并与数据采集仪相连。
非稳态法导热仪实验心得
非稳态法导热仪实验心得
非稳态法导热仪是一种常用的实验仪器，用于测量材料的导热性能。
下面是一些关于非稳态法导热仪实验的心得体会：
1. 实验准备：在进行实验前，需要详细了解实验仪器的操作原理和步骤。
同时，确保实验仪器的正常运行状态，并进行必要的校准。
2. 样品准备：将待测材料切割成适当的尺寸，并确保样品表面的光洁度和均匀性。
这有助于确保实验的准确性和可重复性。
3. 数据处理：在实验过程中，要记录实验环境的温度变化以及样品的温度变化。
根据采集到的数据，可以使用适当的数学模型进行数据处理和分析，计算样品的导热系数等参数。
4. 实验注意事项：在进行实验时，注意操作规范和安全操作。
避免在实验过程中产生其他热源，如阳光直射、电器设备加热等，以免干扰实验结果。
同时，保持实验环境的稳定性，避免风的干扰。
5. 实验结果与讨论：根据实验结果，可以对样品的导热性能做出评价和分析，并进行讨论。
如对比不同材料的导热性能、分析导热性能受温度、压力等因素的影响等。
需要注意的是，以上心得是基于一般的实验情况，实际实验操作还需要根据具体的实验设备和要测量的材料进行相应的调整和注意。
非稳态法导热仪实验是一项技术性较高的实验，所以在实验之前最好能与教师或专业人士进行咨询和指导，以确保实验的顺利进行。
准稳态系数实验报告
一、实验目的1. 了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的原理。
2. 通过实验掌握准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的方法。
3. 熟悉使用热电偶测量温度的方法。
4. 学习使用数字万用表。
二、实验原理准稳态法是一种测量不良导体导热系数和比热的方法。
该方法基于热传导定律，通过测量在一定时间内，试样中心温度与表面温度之差，以及试样吸收的热量，来计算导热系数和比热。
实验原理可表示为：\[ Q = kA\frac{\Delta T}{\Delta x} \]其中：- \( Q \) 为试样吸收的热量；- \( k \) 为试样的导热系数；- \( A \) 为试样的表面积；- \( \Delta T \) 为试样中心温度与表面温度之差；- \( \Delta x \) 为试样厚度。
通过实验测得 \( Q \)、\( A \)、\( \Delta T \) 和 \( \Delta x \)，可以计算出试样的导热系数 \( k \) 和比热 \( c \)。
三、实验仪器与材料1. 实验装置：准稳态法导热系数测试仪、试样夹具、热电偶、数字万用表、温度计等。
2. 实验材料：不良导体试样（如橡胶、塑料等）。
四、实验步骤1. 将试样放置在试样夹具中，确保试样与夹具接触良好。
2. 将热电偶插入试样中心位置，并固定好。
3. 打开实验装置，调节加热电流，使试样表面温度达到预定值。
4. 记录加热时间，并观察试样中心温度的变化。
5. 当试样中心温度稳定后，记录试样中心温度和表面温度。
6. 关闭实验装置，待试样冷却至室温。
7. 重复步骤 3-6，至少进行 3 次实验，取平均值。
五、实验数据与结果分析1. 记录实验数据，包括加热时间、试样中心温度、表面温度、试样厚度等。
2. 根据实验数据，计算试样吸收的热量 \( Q \)。
3. 根据公式 \( Q = kA\frac{\Delta T}{\Delta x} \)，计算试样的导热系数\( k \)。
用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告
用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告实验报告：
本实验组进行了一系列实验，目的是测量介质的导热系数和比热。
为此，我们采用了准稳态法（Steady-State Method），通过测量系统的热流，温度和物理量来评估介质的热特性。
实验装置由两个金属块构成，它们之间以一定宽度填充介质。
两个金属块用热电偶连接，控制机械温度。
一个块由常温水浴恒温，使另一块保持稳定的温度，以产生恒定的热流。
然后，通过特殊测量仪器读取温度差。
通过改变被测物质的厚度，实验运行三次，同时测量温度。
在改变热流情况下，记录温度差随热导率的变化情况。
根据所得温度与热导率的关系，用分析技术计算出介质的导热系数和比热。
实验运行时，实验装置保持在常温水浴中，当热偶发出热量时，两个金属块之间的温差增大，测量装置会自动调整两个金属块的温度，以保持恒定的热流输出。
本实验的结果显示，随着介质的厚度的增加，介质的导热系数和比热值也随之增加。
未来，我们可以改进实验装置，看看它们是否可以产生更精确的结果。
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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） 0)
,0(0),()0,()
,(),(0
22=∂∂=+∂∂=∂∂=∂∂x
t q x t t x t x x t a x t c
τλτδττ
τ)
1()]exp(cos(2)1(63[),(2
211220o n n n
n n c F x x q t x t μδμμδδδδατλτ--+--
=-+∞
=
∑)612(),(222-+=-δ
δατλδτx q t x t c o 2δατ=F
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忽略不计。
试件两端面中心处的温差就等于无限大平板时两端正的温差。
根据热平衡原理，在准稳态时，有：
式中：F ——试件的横截面积；c ——试件的比热；ρ——试件密度； —
—准稳态时温升速率。
则比热为： （5）
实验时，dt/d τ以试件中心处为准。
按定义，材料的导温系数可表示为
m 2/s
综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性---导热系数、比热容和导温系数。
三、实验装置简介
实验设备包括破碎机、搅拌机、烘干机、电子天平、SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件。
SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件如图1所示。
τ
d dt
)6
1
(),0(2-=
-δτλδτa q t t c o τδρd dt
F c F q c ⨯
⋅⋅⋅=τ
δρd dt q c c /⋅⋅=
t
q q t t t a q t t c c
c o ∆⋅=⋅⋅=-=∆+=-221),0(),()3
1
(),(2δλλ
δττδδτλδτδc
c c t t t q c a )(2)(2τδδτδδλρλ∆∆=∆==
图1 实验设备系统图
SEI-3型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为δ、面积均为F 的被测试材重叠在一起组成。
在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶；这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特性的绝热层。
然后用机械的方法把它们均匀地压紧。
电加热器由直流稳压电源供电，加热功率由计算机检测。
两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理，并绘出试材中心面和加热面的温度变化曲线。
四、实验步骤
1．选用不同原料，进行破碎加工，按照不同配比，搅拌混合均匀，加工成100mm×100mm，厚20mm大小的材料，放在烘干机内烘干。
2．用游标卡尺对试材的厚度进行测量（单位：mm），并用天平称其称重（单位：g）。
3．将试材按实验要求装入SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内。
（注：用手拿取试材时
4．一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的加热面，以免破坏试材的初始温度场。
）
5．接通计算机和SEI-3型准稳态法热物性测定仪电源。
使计算机进入
windows操作系统，在计算机桌面上双击上SEI-3图标，使计算机进
入SEI-3型准稳态法热物性测定仪的教学实验软
件系统。
6．仔细阅读教学实验软件系统上的实验步骤。
点击“我认真阅读了实验步骤”按钮．
7．在相应的栏目内按要求输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量），输入完
成后，计算机在相应的栏目内给出试材容重和实验加热电压。
加热器
预加电压分串、并联两种。
对应SEI-3型准稳态法热物性测定仪的功
率选择为大（并）、小（串）之分。
通常SEI-3型准稳态法热物性测定
仪的功率选择开关选择在小（串）位置，只有当加热器预加电压（串
联）大于20伏特时，再选择在大（并）的位置。
调节SEI-3测定仪的
电压调节旋钮，使加热电压在加热器预加电压值附近。
将实验人员的
学号填入“学号”栏目内，点击‘加入学号”按钮。
实验人员学号输
入完成后点击“确认小组学号”按钮，即可进行实验。
8．点击“测量“按钮并同时打开SEI-3测定仪的加热开关，观察加热表面的温度变化过程。
当两表面的温差不变时，即温差曲线走平时，表
明不稳态导热达到准稳态时的温度场的特征，可点击“结束”按钮，
并关闭SEI-3测定仪的加热开关。
9．如果有打印机，可点击“打印”按钮，打印出实验所有数据。
没有打印机可点击“保存”按钮，保存所有实验数据。
点击“复位”可重新
实验，点击“退出”可结束实验。
最后将保存的实验数据读出，记录
在实验数据表中。
五、试材热流密度q c的计算
这里我们虽然用薄片状电加热器加热，但它毕竟有一定的热容量，在加热过程中，加热器本身要吸收热量，且先于试材。
因此试材实际所吸收的热量必需从电功率中扣除电加热器吸收的热量。
根据实验原理，我们仅研究电加热器对中间两块试材加热时的温度变化就可
的以了，但为了避免因电加热器向外难以估计的散热给q
c
计算带来困难，所以在两加热器外侧各补上一块相同厚度的试材并加以保温，这样，电加热器将同等地加热其两侧的每块试材，每块试材内的温度场对于电加热器是对称的。
两个同样的电加热器是并联（或串联）供电的。
基于以上分析，试材表面实
验所吸收的热量应为：
W/m 2 式中 U 一加热器的电压V ；
I 一加热器的电流A ；
F 一加热器（即试材）面积，m 2；
C h ＝0.079 J ／m 2℃一加热器单位面积的比热容； 一加热器（也是试材加热面的温度变化率）.
六、实验要求
1．预习实验指导书，弄懂实验原理和实验方法。
2．细心装配试材，电加热器和热电偶，避免损坏。
3．根据实验数据，绘出温度变化曲线，计算出试材的导热系数、比热容和导温系数。
4．利用最优法原理，找出混合材料的最佳配比方案。
七、实验数据记录
试材名称 ；试材厚度 mm ；试材重量 g ；
2h h c t C F I U q )(24τ
δ∆-⋅=c w h t
t t )()()(τ
δτδτδ∆=∆=∆。