导热系数的测定

、
面和待测样品厚度。 2．将一个电热偶的插头插在表盘的测2内，把冷端放入装有冰水混合物的真空保温 杯内的细玻璃管中，热端插在散热盘的小插孔上；将另一个热电偶插头插在表盘的 测1内，冷端也放入装有冰水混合物的真空保温杯内的另一细管中；热端插入加热盘 上的小插孔中； 3．插好加热板的电源插头：再将 线的一端与数字电压表相连，另一端插在表盘的 中间位置； 4．分别接好导热系数测定仪与数字电压表的电源；数字电压表采用3位半LED显示， 最大量程为20mV。 5．调节数字电压表的调零旋钮，再将加热开关拨至220V档，开始加热； 6．待稳定后，可以将切换开关分别拨至测1和测2端，记录此刻样品上、下表面的温 度；(每隔3分钟读样品上下表面的温度，若在10分钟内样品上下表面的温度示数都 不变，可以认为已经达到稳定状态了)； 7．移去样品，使加热盘与散热盘较好的接触，再将加热开关拨至220V档，加热散热 盘； 8．移开加热板，在散热盘上放置胶木板，使散热盘自然冷却；稳定状态时，通过样 品上表面的热速率与由散热盘向周围环境散热速率相等。记录散热盘冷却至稳态时 的温度。 根据上述装置，由傅里叶导热方程式可知，通过待测样品B盘的热流量 Q / t 为：
Q 2 R 2 1 t h
式中h为样品厚度，R为圆盘样品的半径， 为样品热导率，
1
2
分别为稳态时样品上下平面的温度。
、
实验过程中，当传热达到稳态时，样品上下平面的温度将稳定不变，这时可以认为发 热盘A通过圆盘样品上平面传入热量的速率与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。 因此可以通过散热盘P在稳定温度 时的散热速率求出热流量.方法如下：当读得稳 后，将样品B盘抽去，让发热盘A的底面与散热盘P直接接触，使盘P的温 态时的 度上升到比 高出1mV左右时，再将发热盘A移开，放上圆盘样品（或绝缘圆盘）， 让散热盘P自然冷却（电扇仍处于工作状态），每隔30秒钟读一次散热盘的温度示 值，选取邻近 的温度数据，求出铜盘P在的冷却速率 ，则 就是散热盘在 时的散 h 1 mc | 热速率，代入式（3-2）得： t R (3-3)式中, 为样品的质量，为样品 比热容。但须注意，这样求出的 是散热盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其 p 2 R p h p 散热表面积为 2 R2 （其中 与 分别为散 热盘P的半径与厚度）。然而，在观测样品稳态传热时，P盘的上表面（面积为 ）是 被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时散热盘散 热速率的表达式应修正如下：
提示：本实验的误差主要来自于自然冷却速率这一项，即 ） 材料的结构变化与杂质多少对导热系数都有明显的影响。同时， 导热系数一般随温度而变化，所以实验时对材料成份，温度等 都要一并记录。
实验内容
一．必做部分：测量橡皮样品的导热系数
1．在做稳态法时，本实验温度达到稳定需较长时间，为缩短时间，可先将加热 板电源电压开关打在 快速加热档，待 即可将开关拨至 慢速加热档待 降至 左右 时通过手控调节电热板开关的电压 或 档或 档，使 读数变化在 范围内，同时每 隔2分钟记下样品上下圆盘A和P的温度 和 的数值，待 的数值在10分钟内不变即 可认为已达到稳定状态，记下此时的 和 值。
2.17
2.13
2.07
• 具体计算过程： • 散热盘的冷却速率为： • 导热系数为：
2.17 2.07 0.0016 t 60
( R散热板 2 h散热板) h样品 1 mc 2 t (2 R散热板 2 h散热板) ( 2 ) R样品
1
• =
905 .7 10 8.85 10 0.0016
3 2
65.06 2 8.10 8.03 2 65.06 2 8.10 (3.58 2.09)
1
(65.1410 )
3
2
•
=
0.2875
[W/(m.K)]
导热系数的测定——稳态法
热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交
换过程
导热系数是表征物质热传导性质的物理量 测量导热系数的方法:一类是稳态法，另一类是非稳态
法 在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定 的温度分布，然后进行测量。
目录
实验目的 实验仪器 实验原理 实验方法 实验内容 注意事项 数据记录与处理
热电偶
FA
FP
来测量。热电偶的冷端浸入盛于真空保温杯G内 的冰水混合物中。
支架D下方的测定仪上有开关，用以变换上、下热电偶的测量回路。 数字式电压表
实验方法
1．取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定；调 节底部的三个微调螺母，使样品与加热盘、散热盘接触良好；当待 测样品为空气层时，可利用测片调节三个螺旋微头使发热盘与散热 盘相距一定的距离 h ，此即待测定空气层的厚度。样品架的三个螺 旋微头是用来调节散热盘和圆筒加热盘之间距离和平整度的。除测 量金属样品时不用圆筒加热盘与散热盘前的固定轴固定外，其它如 测橡皮和空气的导热系数时，均将圆筒加热盘与散热盘前的固定轴 对准样品支架上的圆孔并插入，并用螺母旋紧。具体步骤是：先旋 下螺母，将圆筒加热盘上移，然后将样品放到散热盘上，再落下圆 筒加热盘，使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定圆 筒加热盘后的紧固螺钉，从而由三个螺旋微头来调节平
该方程式表明，在物体内部，取两个垂 直于热传导方向、彼此相距为h 温度分别 t S 在 为 的平行面若平面面积均为 时间内通过面积 S 的热量 满足该方程式。 式中 Q / t 为热流量， 即该物质 的热导率。
2 Q S 1 t h
•
稳态法进行测量，其原理如图3-1所示。当传热达到稳态时，样品上、下面的温度 和 的值将不变，这时可以认为发热盘A通过圆盘样品B上平面传入热量的速率与由散热盘P 向周围环境散热的速率相等。由式(3-1)可知通过B盘的传热速率：
2．记下稳态时的 和 值后，移去样品，让发热盘A的底面与散热盘P直接接触。使 的温度上升到比 高出10℃(即高出0.4mV)左右时，再将发热盘A移开，在散热盘 上覆盖圆盘样品B，让散热盘 自然冷却，电扇仍处于工作状态，每隔30秒钟记一 次散热盘的温度示值，选取邻近 的温度数据，求出P在 的冷却速率 。 3．发热盘A的侧面和散热盘P的侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘和散 热盘时使放置热电偶的洞孔都应与真空保温杯、数字电压表位于同一侧，
以免线路错乱。热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测温 端与铜盘接触良好。热电偶冷端插入细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油，再 将玻璃管浸入冰水混合物中。
4．样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，均可用ห้องสมุดไป่ตู้标卡尺多次测量取平均值。散热盘的 质量 可用电子天平称衡。 5．本实验选用铜—康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.20mV，配用 量程0～10mV并能读到0.01mV的数字电压表。 6．根据所测数据作 曲线，并求出对应于 的冷却速率。
2 1 2 2
B
2
2
1
2
mc t
2
( R 2 Q p 2 RP h p ) mc t t (2 R 2 p 2 R p h p )
（3-6）
将式（3-6）代入（3-2），得：
p p hB 1 mc 2 t (2R p 2h p ) (1 2 ) RB
(R 2h )
由于热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶来说，当温度变 化范围不太大时，其温差电动势（ ）与待测温度（℃）的比值是 一个常数。由此，在用式（3-7）计算时，可直接以电动势值代表 温度值。
(R p 2h p ) hB 1 mc 2 t (2R p 2h p ) (1 2 ) RB


2
3.46
1
3.51 2.10
3.54 2.09
3.56 2.09
2.12
2 =2.09mV. • 注：在达到稳态时 1 =3.58mV， • 3.散热盘自然冷却过程中对 2 的测量:
时间 第一个30s 第二个30s 第三个30s 第四个30s 第五个30s
测量（mV ）
2.24
2.20
hB 1 2 1 2 RB
A-带电热板的发热盘 B-样品 C-螺 旋头 D-样品支架 E-风扇 F-热 电偶 G-真空保温杯 H-导热系 数测定仪 P-散热盘
H
、
在支架D上放铜散热盘P（固定于底上的三个螺旋微头支撑着），在散热 盘P上安放待测样品(圆盘形不良导体)B，样品B上再安放带电热板的发 热盘A。实验时一方面发热体底盘A直接将热量通过样品B上平面传入样 品，另一方面散热盘P借助电扇有效稳定地散热，使传入样品的热量不 断往样品的下平面散出。当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定 导热状态，这时发热盘A与散热盘P的温度为一定的数值，即样品上、下 1 2 它们的数值分别用安插在A、P侧 表面各维持稳定的温度 面深孔中的
1 2 Q 2 R B t hB
式中 R为圆盘样品的半径,为样品的厚度。 盘在温度为 时的散热速率满足下述表达 式： Q
t
mc
t
2
式中,m为 盘的质量,c为其比热容，
mc t
2
t
2
为 盘处在 时的冷却速率。 式为 :
实验目的
学习测量良导热系数和不良导体导 热系数的方法；
测量橡胶的导热系数、测量金属铜 的导热系数、测量空气的导热系数。
实验仪器
导热系数测定仪、真空保温杯、硬铝样 品、橡皮样品、绝缘板、热电偶、多量 程数字电压表 、塞尺(测片)、电源线 连接线、支架。
实验原理
• • • 热传导的基本公式是傅里叶导热方程式：
数据记录与处理
• 1.对散热板和橡胶板的质量，厚度，直径的记录：