不良导体的热导率
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。
用闪光法测定不良导体的热导率
用以及使用注意事项后方可进行实验内容（2）。 (2) 调节光学系统：实验室已组装好光路的光学系统。 (a) 调节氙灯的三维微调架上有刻线，以便较快调节光学元件的共轴，使氙灯的电极中
∞
∑ V = 1 + 2 (−1)n ⋅ exp(−n2ω ). n=1
（5）
将（5）式作图表示，见图 2。
令V=1/2，求得ω=1.38。将对应的时间记为t1/2，可得扩散率 a=1.38L2/π2t1/2，
进而有热导率
（6）
λ=1.38ρL2/π2t1/2。
（7）
上述处理过程要满足的条件是：试样面积〉〉厚度，则侧面散热可忽略，可视为一维热
温度检测元件 试样
t1/2 ω=π2αtL2
图1
图2
方程（2）的解
∑ T (x, t)
=
Q ρcL
⎡ ⎢1 + ⎣
∞
2 cos
n=1
nπx L
⋅
sin(nπl / L) (nπl / L)
exp⎜⎜⎝⎛ −
n 2π L2
2
at ⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤ .
在试样背面 x= L 处温升可表示为
∑ T (L, t)
量为 Q 的脉冲在 t=0 时刻照射在试样表面（试样为薄片状，脉冲光沿垂直于圆面的轴线方向
辐照），且被试样均匀吸收，可以认为在距表面的微小距离 l 内样品温升为
T( x,0)=Q/ρcl （0<x<l）,
T( x,0)=0
（ l<x<L）,
(1)
其中 Q 为单位面积吸收的能量，L 为样品厚度（L<< l）。当试样周围热损很小以至可以忽略
不良导体热导率λ的值
不良导体热导率λ的值不良导体热导率λ是指材料在导热方面的性能较差，即其导热能力较低。
在热力学中，热传导是指物质内部由高温区向低温区传递热量的过程。
导热是物质的一种基本性质，在工程领域中有着广泛的应用。
不良导体热导率低，意味着其在传导热量方面的效率较低。
材料的热导率与其导热性能密切相关。
一般来说，金属材料具有较高的热导率，而非金属材料则通常具有较低的热导率。
这是因为金属中的自由电子能够快速传递热量，而非金属材料的导热主要依靠分子振动传递。
在实际应用中，不良导体热导率低的材料常常用于保温材料的制备。
例如，建筑保温材料中常使用的聚苯乙烯泡沫板，其热导率较低，能够有效减少建筑物的热量损失。
此外，保温材料还广泛应用于冷冻设备、管道和储罐等领域。
不良导体热导率低的材料还常用于制备隔热材料。
隔热材料是指能够有效地阻止热量传递的材料。
由于不良导体热导率低，这些材料能够有效地减缓热量的传递速度，从而起到隔热的作用。
在高温环境下，隔热材料能够保护周围环境免受高温的影响，提高设备的使用寿命。
不良导体热导率低的材料还常用于制备绝缘材料。
绝缘材料是指能够阻止电流流动的材料。
由于不良导体热导率低，这些材料能够有效地阻止热量的传递，起到绝缘的作用。
在电力设备中，绝缘材料能够防止电流的泄漏和短路，保护设备的安全运行。
不良导体热导率低的材料还常用于制备热敏材料。
热敏材料是指随温度变化而产生相应物理性能变化的材料。
由于不良导体热导率低，这些材料能够灵敏地感知温度变化，并做出相应的响应。
在温度传感器和温控器中，热敏材料能够准确地测量和控制温度，实现自动化控制。
不良导体热导率低的材料在保温、隔热、绝缘和热敏等方面具有广泛的应用。
通过选择合适的材料，可以满足不同领域对热传导的要求，提高设备的性能和使用寿命。
未来，随着科学技术的不断发展，不良导体热导率低的材料将会有更广阔的应用前景。
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。
不良导体的导热系数的测定
表2.5.2 平衡温度以及冷却时时间、温度记录
热平衡时，加热盘温度T 1
散热盘温度T 2
冷却过程中，数据记录如下：
t i (s)
Ti T T
2
t 15 t 10 t 5
t t 5
T
2
t 10 t 15
(℃)
表2.2
等精度数据
y1
y
2
y
3
y
n
x1
x
2
x3
x
x
n
n i
a y bx b x y xy (x ) x
实验2.5
不良导体导热系数的测定
背景知识
导热系数又称热导率，是表征物质热传导性质 的物理量，测定材料的导热系数在设计和制造加热 器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技 术及很多科学实验中都有非常重要的应用。
良导体:导热系数大、导热性能好的材料 不良导体:导热系数小、导热性能差的材料
约为不良导体的102～103倍，例如铜为4.0×102 W.m-1.K-1 橡胶为0.22 W.m-1.K-1
考虑到冷却速率还与散热面积成正比， 2.5.5式应 乘以面积因子进行修正，导热系数有
D4 h 4 c m h T （2.5.6） P p B 2 2 D4 h D ( TT ) tT T P p B 1 2 2
其中 D P 为下铜盘半径，hp为下铜 盘厚度
【
实 验 原 理
】
•傅里叶热传导方程
加热 后 S
h T2 图 2.5-1 均匀圆柱体
T 1 T 2 忽略导体的侧面无热量散失， 相同的时间内流过各截面的热 T1 量必然相等，这时整个导体呈 动态热稳定状态。
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：
不良导体的导热率的实验数据截图
一．数据采集结果：二．热导率的推导过程：公式：c λαρ=⋅⋅其中：α可确定热扩散率和分别为材料的比热容和密度束能量为Q 的脉冲光在0t =时刻照射在试样表面（试样为薄圆片状，脉冲光沿垂直于圆面的轴线方向辐照），且被试样均匀吸收，可以认为在距表面的微小距离l 内样品温升为：（9-1）（9-1）式中Q 为单位面积吸收的能量，为样品厚度且L l 。
当试样周围热损很小以至可以忽略时，可以认为侧面绝热，可用一维导热微分方程（9-2）来描述其物理过程，其中α就是试样材料的热扩散率。
由式（9-1）所列的边界条件和初条件，方程（9-2）的解为：（9-3） 在试样背面处温升可表示为：（9-4） 当t =∞时，()T L,t 达到最大，有m Q T cL ρ=。
定义()()mT l,t V L,t T =，，则： 2112(-1)(-)n n V exp n ω∞==+∑ （9-5）将（9-5）式作图表示，见图9-2。
令12V /=，求得。
将对应的时间记为12/t ，可得热扩散率：（9-6）进而有热导率：c ρ⎩⎨⎧=⋅⋅=0)0,()0,(x T l c Q x T ρ)()0(L x l l x <<<<L 22),(),(x t x T t t x T ∂∂=∂∂α)0(L x <<⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⋅+⋅⋅=∑∞=1222)ex p()()sin(cos 21),(n t L n L l n L l n L x n L c Q t x T αππππρL x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+⋅⋅=∑∞=1222)ex p()1(21),(n n t L n L c Q t L T απρ22L t απω=38.1=ω212238.1t L πα=212238.1t L c πρλ⋅⋅⋅=。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
不良导体的热导率
摘要
物体导热性能的好坏，称为物体的热导率。
不同的物质，热导率值是不同的热导率大的称为热的良导体，热导率小的称为热的不良导体。
测定不良导体的热导率的方法是当样品两端达到稳态温度差时，样品的传热速率与散热盘从侧面和底面向周围散热的速率相等为依据。
由此测出散热盘在稳定温度时的散热速率，以此求出不良导体的热导率，测量物质热导率的方法有稳态法和动态法两种，它们以傅里叶热传导定律作为基础。
目录
1. 实验目的...............................................
2. 实验仪器...............................................
3. 实验原理...............................................
4. 实验内容与步骤.........................................
5. 注意事项...............................................
6. 数据及处理...........................................
7. 问题讨论...............................................
8. 知识拓展...............................................
引言：导热系数是表征物质热传导性质的物理量, 是各类科学研究和工程设计的重要基础参数。
迄今为止,尚无法用纯理论的方法,导出物质（特别是固体）导热系数的精确计算公式。
研究材料的导热性质，在科学研究和工程应用中是一个重要课题，凡联系到新型材料的开发，设备及装置的热设计等方面都离不开它，对于不同材料的不同性质（非金属不良导体；金属良导体）可采用不同的测试研究方法。
因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。
测量导导热系数的方法一般分两类：一类是稳态法，另一类是动态法。
在稳态法中，先利用热源在待测样品内形成一稳定的温度分布；然后进行测量。
在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化等。
本实验采用稳态法测定不良导体的导热系数。
【实验目的】
（1）了解掌握热传导现象的物理过程。
（2）掌握用稳态法测量不良导体热导率的原理及方法。
（3）学会测定橡胶盘的热导率。
（4）体会物理思想和对知识的拓展。
【实验仪器】
FD—TC- B型热导系数测定仪（温度控制范围：室温-80 C,温度计精度：
± 0.1 C）、橡胶样品、游标卡尺（精度：0.02伽，量程：0—125伽）、ARA520 型电子天平（量程：1500g,线性误差：土0.01g ）等。
【实验原理】本实验采用稳态法测量橡胶的热导率。
测量时对系统加温以使测试样品沿其厚度方向形成温度梯度，热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。
根据傅里叶热传导方程，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，其比例系数为热导率，即dQ/dt=-入（dT/dx ）dS在该
式子中dQ/dt为传热速率；dT/dt是与面积dS相垂直的方向上的温度梯度；负号表示热量从高温区域传向低温区域；入表示物体的热导率，在该实验中
样品 B 在中间，认为本实验中样品侧面的散热量远小于通过样品下表面的散热量，可以近似认为绝热，满足的公式为
dQ/dt二入（T 上-T 下）/h B] S=-{入（T 上-T 下）/h B] n D}/4
其中h B
为样品厚度；S B为样品圆盘B的面积；D B为样品B的直径；T 上-T下为样品上、下表面的温度差。
实验时，当传热达到稳定状态时，可以认为加热盘C通过样品传
递的热流量与散热盘A向周围环境的散热量相等。
因此可以通过散热盘A在稳定温度T
下时的散热速率dT/dt来求出样品的传热速率dQ/dt。
在读取稳态时的T上和T下之后，取走样品E，让散热盘A直接与加热盘C
接触，加热铜盘A,使之温度上升，移开加热盘C，让散热盘A在电扇的作用下冷却，同时
记录A的温度T A随时间t的下降情况，直到T A降至比T下温度低，然后在坐标图上画出冷
却曲线，过曲线上的点作切线，则此切线的斜率就是A
盘在T下温度时的冷却速率dT/dt| T=T下。
根据热容的定义，有
dQ/dt=mc dT/dt=m 铜c 铜dT/dt| T=T下，m铜和c铜分别为A盘的质量和比热容。
对于铜盘A，在达到稳态的过程中，其上表面并未暴露在空气中，散热的外表面积
为n D A/4+ n D A h A,其中D A，h A分别为散热盘A的直径和厚度。
移去加热盘
C后A盘的散热面积为n D 2A/2+ n Dh A,考虑到物体的散热速率与他的散热面积成比
例，所以稳态时 A 的散热速率的表达式应作面积修正
22
dQ/dt二m 铜c 铜[(n D A4+ n D A hO /( n D A/2+ n D A h A门dT/ dt| T=T下=^
铜。
铜{(D A + 4h A)/[2(D A+2h A)]} dT /dt| T = T下
综合上面的公式，可以得出样品的热导率为
2
X = 一{[2m 铜c 铜h B (D A +4h A) ] /[nD B (T 上— T 下)(D A+2h A)}dT/dt| T=T下，只要求
出dT/dt| T=T下，就可以求出橡胶试样的热导率X。
【实验内容与步骤】
(1)用游标卡尺测量散热盘A和样品B的厚度与直径，多次测量取平
均值。
用电子天平测量散热铜盘A的质量m铜。
(2)取下固定螺钉，将橡胶样品放在加热盘和散热盘之间，橡胶样
品要求与加热盘、散热盘完全对准，上下绝热薄板要对准加热
盘和散热盘，调节底部的三个微调螺钉，使样品与加热盘、散
热盘接触良好，但注意不宜过紧或者过松。
(3)按照要求组装好设备与装置。
在安放加热盘和散热盘时，还应注
意使放置传感器的小孔上下对齐。
(4)接上导线系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示
为FDHC,然后显示当前温度。
这时可以设定控制温度，按升温
键，左边显示BXX.X，表示想要设定的温度值。
可以设定为5 5
— 7 0 C。
再按确定键，显示为AXX.X之值，加热指示灯闪亮，
打开风扇开关，仪器开始加热。
右边表头显示散热盘的当前温
度。
(5)加热盘的温度上升到设定温度值，开始记录散热盘的温度，每
隔一分钟记录一次，待在10分钟或更长时间内加热盘和散热盘的
温度值基本不变，就可以认为热量交换已经达到稳定状态了
(6)按复位键停止加热，小心取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散
热盘接触良好，再设定温度。
(7)移去加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔10s (或者3 0s )
记录一次散热盘的温度示值。
(8)将所有的数据进行处理，计算出橡胶样品的热导率。
【注意事
项】
(1)注意各仪器间的连线正确，加热盘和散热盘的两个传感器要一一对应，
不可互换。
(2)温度传感器插入小孔时，要抹些硅油，并使传感器与铜盘接触良好。
(3)导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，可以减少样品侧面
与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小误差，所以实验
过程中，风扇一定要打开。
(4)测量完毕，取出样品时，应先切断电源并注意防止烫伤。
【数据及处理】
表1散热盘A和样品圆盘B的厚度与直径数据记录表
游标卡尺精度：0.02mm,量程：0—150mm零点读数：0.04mm
散热盘A的质量：m b =875.9g
表2稳态时样品B上下表面的温度
表3散热铜盘A在T下附近冷却时的温度示值
续表1
续表2
续表3
续表4
1.计算入和相对误差△入/入。