热导率测量
温度与热导率的测量
第一部分：动态法测定良导体的热导率【实验目的】1. 通过实验学会一种测量热导率的方法。
2. 解动态法的特点和优越性。
3. 认识热波，加强对波动理论的理解。
【实验仪器与用具】仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的圆棒状样品（本实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成，见示意图1。
样品中热量将只沿轴向传播，在任意一个垂直于棒轴的截面上各点的温度是相同的，于是，只要测量轴线上各点温度分布，就可确定整个棒体上的温度分布。
温度的测量采用热电偶列阵．将热电偶偶端均匀插在棒内轴线处，两个相邻偶间距离均为2cm，为保持棒尾的温度T0恒定，以防止整个棒温起伏，用冷却水冷却。
本实验仪器结构框图见图2，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分。
本仪器由两种工作方式：手动和程控。
他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元。
前者用高精度x-y 记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图。
【实验原理】为使问题简化，令热量沿一维传播，故将样品制成棒状，周边隔热．取一小段样品如图3．根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A 的热量，即热流为其中k 为待测材料的热导率，A 为截面积，文中是温度对坐标x 的梯度。
将式（1）两边对坐标取微分有根据能量守恒定律，任一时刻棒元的热平衡方程为其中C，ρ 分别为材料的比热容与密度，由此可得热流方程其中，称为热扩散系数。
式（4）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即另一端用冷水冷却，保持恒定低温T0，则式（5）的解也就是棒中各点的温度为其中是直流成分,α是线性成分的斜率，从式（6）中可以看出：a热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波。
b热波波速：（7）c热波波长：（8）因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出D。
热导率的测量方式及原理
热导率的测量方式及原理热导率是一个物质传导热量的能力的物理量。
对于固体材料而言，热导率是一个重要的物性参数，它能够描述材料传导热量的能力大小。
热导率的测量方式主要有热接触法、热流法和电学法等。
下面将分别介绍这几种测量方式的原理及其应用。
1. 热接触法热接触法是一种常用的测量热导率的方法，它基于热量在物体之间的传导原理。
该方法通过将待测物体与已知热导率的样品接触，利用热量在接触面上的传导来测量待测物体的热导率。
热接触法的原理是利用热量在物体之间的传导过程中的温度差来计算热导率。
具体步骤是，首先将待测物体和已知热导率的样品紧密接触，形成一个热接触界面。
然后，在待测物体一侧加热，使热量从已知样品传导到待测物体，通过测量热源和样品之间的温度差，以及已知样品的热导率，就可以计算出待测物体的热导率。
热接触法的优点是测量结果准确可靠，并且适用于各种形状和尺寸的样品。
它被广泛应用于材料科学、工程领域以及热工性能测试。
2. 热流法热流法是另一种常用的测量热导率的方法，它基于热量通过物体的传导原理。
该方法通过在待测物体上施加一个已知热流，测量温度场分布来计算热导率。
热流法的原理是利用热量在物体中传导的过程中，温度沿着传导方向逐渐降低的特性来计算热导率。
具体步骤是，在待测物体上施加一个已知的热流，然后在物体内部测量温度场的分布。
通过测量得到的温度分布数据，结合已知的热流功率和待测物体的尺寸参数，可以计算出待测物体的热导率。
热流法的优点是测量结果准确可靠，并且适用于各种形状和尺寸的样品。
它被广泛应用于材料科学、工程领域以及热工性能测试。
3. 电学法电学法是一种间接测量热导率的方法，它基于电热效应和热传导之间的关系。
该方法通过测量电阻或电导率的变化来间接推算热导率。
电学法的原理是利用材料的电热效应和热传导之间的关系，通过测量电阻或电导率的变化来间接推算热导率。
具体步骤是，在待测物体上施加一个已知的电流，测量电阻或电导率的变化。
热导率测量技术原理与实验操作
热导率测量技术原理与实验操作引言热导率是表征材料导热性能的重要参数之一。
准确测量材料的热导率可以为材料科学研究和工程应用提供有价值的数据。
本文将介绍热导率测量的原理和常见的实验操作技术。
一、热导率测量原理热导率是材料本身导热的能力，即单位时间内单位面积的热量通过材料的能力。
常见的热导率测量原理包括热传导、热辐射和热对流。
1. 热传导法：热传导法是最常见的测量热导率的方法。
该方法通过测量材料上下表面的温度差和热量流量，计算出热传导系数。
实验时需要将待测样品置于两个温度不同的热源之间，测量两个温度传感器之间的温度差和热量流量，进而计算出热导率。
传感器的选取和位置布置对结果的准确性起着重要的影响。
2. 热辐射法：热辐射法主要适用于高温情况下的热导率测量。
该方法基于物体发射的热辐射与其温度和表面发射率之间的关系。
实验时，需要将待测样品置于一个热源旁边，通过测量样品表面的热辐射量和温度，计算出热导率。
热辐射法需要注意选择合适的红外辐射仪和对样品进行表面处理。
3. 热对流法：热对流法适用于液体和气体等流体材料的热导率测量。
该方法基于流体的对流传热机制，通过测量流体的温度差和热流量，计算出热导率。
实验时需要控制流体的流动速度和温度差，同时避免湍流的产生，以确保测量结果的准确性。
二、热导率测量实验操作1. 实验前准备：在进行热导率测量实验前，需要准备好实验所需的仪器设备，如温度传感器、热流计等。
同时，选择合适的待测样品，并对其进行表面处理，以提高测量的准确性。
另外，需要控制实验室的环境条件，确保实验过程的稳定性。
2. 实验设置：选择适当的热源和监测设备，将待测样品置于热源的两侧。
根据不同的测量原理，放置温度传感器或热辐射仪，并正确连接实验仪器。
保证传感器与待测样品的接触紧密，避免温度波动干扰实验结果。
3. 实验操作：根据实验设备的要求，按照预定的实验步骤进行操作。
注意记录各项实验参数的变化，如温度、热量、时间等。
热导率的测量
找稳态？
接通电源，打开主机底部小风扇，
形成稳定的散热环境，将加热盘供电电
压调到220V，加热10分钟，将加热盘供
电电压调到110V，然后5分钟记录一组样
品上下表面温度，若在10分钟内，样品 上下表面温度不变，则样品达到稳态，
记录（TA，TP ）。
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怎样测温 度？
—热电偶测温原理：
热电偶是利用温差电效应
16
ＴＰ＋ 0.8mV～ＴＰ－ 0.２mV
散热盘P的冷却曲线图
Q' T mc t TP t TP
10
所有面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为：
Q' T mc t TP t TP
8
TA TP Q κ S t hB
稳态时样品内部形成稳定的温度分布，加热盘给样品
加热多少热量，就有多少热量通过散热盘散出。
稳态时样品的传热速率 = 稳态时散热盘散热速率
注意：稳态时散热盘温度为TP ，且只有下表面和侧面 参与散热。
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测量散热盘的散热速率
达到稳态后，将样品取下， 让加热盘 A 与散热盘P 直接接 触，给散热盘加热。当散热盘 P的温度比Ｔ Ｐ高出若干度后， 移走加热盘A。散热盘P向周围 散热，在散热盘散热的过程中， 每２０秒记录一次散热盘温度， 测得散热盘温度随时间变化的 一组数据，利用该数据组绘制 冷 却 曲 线 。
制成的测温元件，它是由两种 不同的金属焊接而成的回路。 当两接点a、b的温度不同时， 在闭合回路中会产生电动势， 该电动势称为温差电动势ε 。
热电偶测温原理图
ε α T T0
实验采用铜－康铜热电偶， α=4.2mv/100 ℃
热导率测量技术的使用方法与注意事项
热导率测量技术的使用方法与注意事项热导率是描述材料传导热性能的一个重要指标。
通过测量材料的热导率，可以了解其热导性能，并且在材料的选择、工艺设计和热管理等领域中发挥重要作用。
本文将介绍热导率测量技术的使用方法与注意事项。
一、热导率测量方法1. 热阻法热阻法是常用的一种热导率测量方法。
其原理是通过测量材料两端的温差和加热功率，计算出材料的热阻，并根据热阻与热导率的关系，推算出材料的热导率。
热阻法适用于不同形态和厚度的材料，可以准确测量各种材料的热导率。
2. 热流法热流法是另一种常见的热导率测量方法。
热流法通过在材料中施加一定热流量，在材料表面测量相应的温度分布，从而计算出材料的热导率。
热流法适用于导电性好的材料，如金属，可以测得更高精度的热导率。
3. 拉曼光谱法拉曼光谱法是近年来发展起来的一种非接触式热导率测量方法。
该方法利用拉曼光谱仪器测量材料中的拉曼散射光谱，从中提取出材料的热导率信息。
这种方法无需对样品进行物理处理，可以应用于各种材料的热导率测量。
二、热导率测量注意事项1. 样品制备在进行热导率测量之前，需要对样品进行适当的制备。
对于固体材料，应确保样品表面光洁平整，以减小测量误差。
对于液体和气体样品，需注意样品的填充和密封，以避免热量泄漏。
2. 温度控制在进行热导率测量时，温度控制是非常重要的。
应确保测量环境的温度稳定，并记录下环境温度。
对于固体样品，还需要考虑温度梯度对测量结果的影响，可以进行多点测量或在线温度校正，以提高测量精度。
3. 测量时间进行热导率测量时，测量时间的选择也十分重要。
过长的测量时间会导致样品过热，影响测量结果的准确性。
过短的测量时间则可能无法达到稳态，导致测量结果不可靠。
应根据具体的样品性质和测量方法选择合适的测量时间。
4. 数据处理在热导率测量完成后，需要对测量得到的数据进行处理。
应注意排除测量中的噪声和干扰，并对数据进行平均处理和统计分析，以减小测量误差。
对于不同材料和测量方法，需要采用相应的数据处理方法，以获得更加准确的热导率结果。
实验11 导热系数的测量
实验11 导热系数的测量导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、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之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物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。
（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）1882年法国科学家J•傅里叶奠定了热传导理论，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）了解热传导现象的物理过程（2）学习用稳态平板法测量材料的导热系数（3）学习用作图法求冷却速率（4）掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法系数。
【实验仪器】YBF-3导热系数测试仪、测试样品（硬铝、橡皮、牛筋、陶瓷、胶木板）、塞尺YBF-3导热系数测试仪面板图：上面板图下面板图dzdTdt dQ h T T 21-【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
热传导定律指出：如果热量是沿着Z 方向传导，那么在Z 轴上任一位置Z0 处取一个垂直截面积dS （如图1）以 表示在Z 处的温度梯度，以 表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积dS 的热量），那么传导定律可表示成：(2-1)式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。
式中比例系数λ即为导热系数,可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时内垂直通过单位面积截面的热量。
热导率的测量
导热系数(W/m×K)
380 160 120 50 17 0.17 0.18 0.13 0.40 1.0 0.18 0.20 0.25 0.30 0.50 0.33 0.22 0.25
0.25 0.17 0.23 0.25
目前，测定这一热物性旳措施就温度与时间旳变化 关系而言，能够分为稳态和非稳态两大类
i
i
i
式中 ai为气体混合物中i组分旳摩尔分率；Mi气体混合物中i组分旳分子量。
常用材料旳导热系数
用途 窗框 玻璃 热断桥
防雨
材料
铜 铝 (硅合金) 黄铜 铁 不锈钢 PVC 硬木 软木 (常用于建筑构件中) 玻璃钢(UP树脂) 碳酸钙玻璃 PMMA (有机玻璃) 聚碳酸脂 聚冼氨 (尼龙) 尼龙 6.6和25%玻璃纤维 高密度聚乙烯HD 低密度聚乙烯 LD 固体聚丙烯
• 热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理旳比较法。如图所示，将厚度一定旳 方形样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一种恒定旳单向旳热流，使用 校正过旳热流传感器测量经过样品旳热流，传感器在平板与样品之间和样品 接触。当冷板和热板旳温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面旳温度和 经过样品旳热流量，根据傅立叶定律即 可拟定样品旳导热系数：
1. 试样质地均匀，唯一旳传热方式为导热； 2. 试样内旳热流是一维旳； 3. 脉冲激光被试样前表面薄层均匀吸收； 4. 试样表面没有热损失； 5. 在较小旳温升范围内试样旳物性不随温度 变化； 6. 加热脉冲时间远不大于背面温度上升时间
• 稳态测量法: 具有原理清楚，可精确、直接地取得热导 率绝对值等优点，并适于较宽温区旳测量，缺陷是比较原 始、测定时间较长和对环境（如测量系统旳绝热条件、测 量过程中旳温度控制以及样品旳形状尺寸等）要求苛刻。 常用于低导热系数材料旳测量， 其原理是利用稳定传热 过程中， 传热速率等于散热速率旳平衡条件来测得导热 系数。
热导率测试方法
热导率测试方法热导率是物质传导热量的能力的指标。
在研究热传导的过程中，我们经常需要对材料的热导率进行测试。
本文将介绍几种常用的热导率测试方法，包括热传导法、热电法、热膨胀法和热阻法。
热传导法是最常用的热导率测试方法之一。
它通过测量材料在稳定状态下的温度和热流量来计算热导率。
在实际测试中，我们通常使用热源和热传感器来控制和测量温度，并使用热流量计来测量热流量。
通过记录不同温度下的热流量和温度差，我们可以得到材料的热导率。
热电法是另一种常用的热导率测试方法。
它利用材料的热电效应来测量热导率。
在热电法中，我们使用热电偶或热电导率仪来测量材料中产生的热电势差。
通过测量不同温度下的热电势差和温度差，我们可以得到材料的热导率。
热膨胀法也是一种常见的热导率测试方法。
它利用材料的热膨胀性质来测量热导率。
在实验中，我们通常使用热膨胀仪来测量材料在不同温度下的长度变化。
通过测量不同温度下的长度变化和温度差，我们可以计算出材料的热导率。
热阻法是一种间接测量热导率的方法。
它通过测量材料的热阻来计算热导率。
在热阻法中，我们使用热流量计和温度计来测量材料的热阻。
通过测量不同材料的热阻和已知的热流量，我们可以计算出材料的热导率。
除了这些常用的热导率测试方法，还有一些其他的方法，如激光闪烁法、热红外成像法等。
这些方法在特定情况下也可以用于热导率的测试。
热导率的测试是研究热传导过程中非常重要的一环。
通过选择合适的测试方法，我们可以准确地测量材料的热导率，从而更好地了解和研究材料的热传导性质。
不同的测试方法各有优缺点，我们应根据实际需求选择合适的方法进行测试。
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关键是使样品内部形成稳定的传热状态。
稳态：经一段时间后，如果在样品的传热方向各截面
的传热速率ΔQ/Δt相同，那么样品内部将形成一个 稳定的温度分布状态。稳态时样品上下温度将各自停留在 某个温度。传热速率ΔQ/Δt 和温度梯度（dT/dt）是一个确 定的值。
TA TP Q κ S t hB
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实验内容
1．调整仪器装置； 2．控制实验条件以使样品尽快达到稳态， 记录此时加热盘和散热盘温度； 3．测量散热盘的散热过程，记录散热盘温度 随时间变化的一组数据。
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注意事项
电压表使用前要调零。
测量散热盘散热过程前取出样品时，应先切
断电源并注意防止烫伤。
做完实验要整理好实验台，关掉所有电源。
ＴＰ＋ 0.8mV～ＴＰ－ 0.２mV
散热盘P的冷却曲线图
Q' T mc t TP t TP
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所有面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为：
Q' T mc t TP t TP
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TA TP Q κ S t hB
稳态时样品内部形成稳定的温度分布，加热盘给样品
加热多少热量，就有多少热量通过散热盘散出。
稳态时样品的传热速率 = 稳态时散热盘散热速率
注意：稳态时散热盘温度为TP ，且只有下表面和侧面 参与散热。
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测量散热盘的散热速率
达到稳态后，将样品取下， 让加热盘 A 与散热盘P 直接接 触，给散热盘加热。当散热盘 P的温度比Ｔ Ｐ高出若干度后， 移走加热盘A。散热盘P向周围 散热，在散热盘散热的过程中， 每 ２０ 秒记录一次散热盘温度， 测得散热盘温度随时间变化的 一组数据，利用该数据组绘制 冷 却 曲 线 。
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实验原理
一 热传导遵循的基本规律——傅立叶定律：
Q dT κ S t dx x0
传热速率ΔQ/Δt 与该平面所在 处的温度梯度成正比，与平面面 积ΔS 成正比。
热传导
注：该公式稳态法测量样品热导率的原理公式
二
稳态法测不良导体的热导率：
原理公式：
Q dT κ S t dx x0
部分面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为： Q T S S侧 mc t TP t TP 2S hB κ 2mc 2 Δ t D 2 h T T π D TP p A P
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基本要求
一、数据记录
样品尺寸（见实验台标签） 稳态时加热盘 TA=_____，散热盘 TP=_____ 散热盘冷却过程 1 t(s)
制成的测温元件，它是由两种 不同的金属焊接而成的回路。 当两接点a、b的温度不同时， 在闭合回路中会产生电动势， 该电动势称为温差电动势 ε 。
热电偶测温原理图
ε α T T0
实验采用铜－康铜热电偶， α=4.2mv/100 ℃
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验三 热导率和对流传热系数的测量 【预习思考题】 1．热导率的物理意义是什么？对流传热系数是什么？ 热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流 传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1－T2和表面积S的比例。 2．如果用本实验装置测定良导体的热导率，样品的形状应有何改变？为什么？ 若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好，样品只有做的 比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。 3．用式（5.3-6）或式（5.3-14）测热导率要求哪些实验条件，在实验中如何保证？ 需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因 此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、 下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证；等等。 【分析讨论题】 1．为什么能将数字电压表的示值当作温度值直接代入式（5.3-6）或式（5.3-14）中计算热导率κ？ 因为热电偶冷端温度为0℃，所以通过热电偶测得的电压。所以有，而这就是式（5.3-6）中所包含的全部和温度相关的项。由此可 见可以将数字电压表的电压示值当作温度值直接代入式（5.3-6）中进行计算。 2．对环境温度的测量为什么要在实验的最后一步而不是在较靠前的步骤进行？ 理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。 实验进行前，由于还没有进行实验，实验过程中的散热也没有影响，因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。 而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的，此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化，因此最后 测量环境温度，测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。因此，对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。
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找稳态？
接通电源，打开主机底部小风扇，
形成稳定的散热环境，将加热盘供电电
压调到220V，加热10分钟，将加热盘供
电电压调到110V，然后5分钟记录一组样
品上下表面温度，若在10分钟内，样品 上下表面温度不变，则样品达到稳态，
记录（TA，TP ）。
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怎样测温 度？
—热电偶测温原理：
热电偶是利用温差电效应
大学物理实验
实验三 热导率的测量
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简介 实验原理 实验内容
基本要求
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简 介
热导率 ：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
法测量不良导体热导率。
通过实验掌握用稳态法测量不良导体热导率的方法,体 会使用参量转换法的设计思想，掌握用热点偶测量温度的 方法。