不良导体热导率的测量
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。
不良导体热导率的测定实验报告
不良导体热导率的测定实验报告一、实验目的1、了解热传导现象的基本规律。
2、学习用稳态法测量不良导体的热导率。
3、掌握热电偶测温的原理和方法。
二、实验原理当物体内存在温度梯度时，热量会从高温处向低温处传递，这种现象称为热传导。
对于一个厚度为＄d$、横截面积为＄S$ 的平板状不良导体，在稳定传热状态下，通过该导体的热流量＄Q$ 与导体两侧的温度差＄＼Delta T$ 成正比，与导体的厚度＄d$ 成反比，与导体的热导率＄＼lambda$ 成正比，即：＄Q ＝＼frac{＼lambda S ＼Delta T}｛d}＄如果在一段时间＄＼Delta t$ 内通过导体的热量为＄Q$，则热导率＄＼lambda$ 可表示为：＄＼lambda ＝＼frac{Qd}｛S\Delta T ＼Delta t}＄在本实验中，采用稳态法测量热导率。
将待测的不良导体样品制成平板状，放置在加热盘和散热盘之间。
加热盘通过电热丝加热，使热量通过样品传递到散热盘。
当加热盘和散热盘的温度稳定后，样品内的传热达到稳定状态，此时通过样品的热流量等于散热盘在单位时间内散失的热量。
散热盘在稳定温度下的散热速率可以通过测量散热盘的冷却曲线来确定。
当散热盘的温度高于环境温度时，它会向周围环境散热，其散热速率与散热盘的温度和环境温度之差成正比。
三、实验仪器1、热导率测定仪：包括加热盘、散热盘、热电偶、数字电压表等。
2、秒表3、游标卡尺4、电子天平四、实验步骤1、用游标卡尺测量样品的厚度＄d$ 和直径＄D$，计算出样品的横截面积＄S ＝＼frac{＼pi D^2}｛4}＄，用电子天平称出样品的质量＄m$ 。
2、将样品放在加热盘和散热盘之间，安装好热电偶，确保热电偶的测量端与样品良好接触。
3、接通电源，调节加热功率，使加热盘和散热盘的温度逐渐升高。
观察数字电压表的读数，当加热盘和散热盘的温度稳定后（温度变化在一定时间内小于＄01^｛＼circ}C$），记录此时加热盘和散热盘的温度＄T_1$ 和＄T_2$ 。
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。
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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：
实验26 测量不良导体的导热系数
测量不良导体的导热系数一 实验目的1、 用稳态平板法测量不良导体的导热系数2、 用物体的散热速率求传热速率3、 掌握热电偶测量温度的方法 二 实验仪器导热系数仪、杜瓦瓶，热电偶、FPZ-1型多量程直流数字电压表、游标卡尺、停表 三 实验原理 （一） 稳态平板法ht Q 21θθλ-A =∆∆ tQ∆∆为热流量，λ为该物质的导热系数，也称热导率，h-样品厚度， A-样品面积。
所谓稳态指的是高温物体传热的速率等于低温物体散热的速率时，系统便处于一个稳定的热平衡状态。
（二） 实验装置及方法d ht Q 2142πθθλ-=∆∆A- 加热铜盘，P-散热铜盘；d-样品盘的直径，h-样品盘的厚度；θ1-加热铜盘的温度，θ2-散热铜盘的温度。
（三） 冷却法测量散热铜盘的散热速率∵ dt d t Q c m P P θ=∆∆散 ；dtd θ 是曲线在θ2点的斜率，如下图∴ ()dt d h d c m P P θθθπλ2124-= 四 实验内容及步骤1、测量样品盘的厚度h 和直径d ，并记录散热铜盘的质量。
2、调节支架上的三个螺丝使它往下降一部份，将散热铜盘放在它的上面，再往上放样品盘，然后将加热器放在样品盘上面，使三个盘紧密接触，然后把加热器固定，再用三个螺丝往上拧，使整个系统固定不动。
3、将热电偶的插头分别插入两对孔中，并打开毫伏计（要调零）判断热端冷端，将热端分别插入加热铜盘和散热铜盘，冷端插入杜瓦瓶中。
4、用220v 电压加热15分钟，再用110v 加热同时打开风扇，大约半小时后每隔壁5分钟观察θ1、θ2的值各一次，直到观察到连续两组的数值不变即可认为系统达到稳态，记录这组数据。
5、重新用220v 电压加热同时关掉风扇，观察θ2的变化，当达到 θ2+0.2mv 时停止加热并移开加热器同时打开风扇。
观察θ2的变化当温度回落到θ2+0.2mv 时开始每隔壁30秒读一次数据直到θ2-0.2mv ，关掉风扇即完成此次操作。
不良导体导热系数的测定
不良导体导热系数的测定热量的传递一般分为三种: 热传导、热对流、以及热辐射。
其中的热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。
从微观上说, 热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说, 它是由于物体内部存在温度梯度, 而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。
不同物体的导热性能各不相同, 导热性能较好的物体称为良热导体, 导热性能较差的物体称为不良热导体。
定量描述物体导热性能的物理量是导热系数, 一般说来, 金属的导热系数比非金属的要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。
导热系数是描述材料性能的一个重要参数, 在锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数, 而且通过研究物质的导热系数, 还可以进一步了解物质组成及其内部结构等。
所以, 导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。
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。
其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。
稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量。
非稳态法则是指在测量过程中样品内部的温度分布是变化的, 变化规律不仅受实验条件的影响, 还与待测样品的导热系数有关。
本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。
【预备问题】① 如何判断不良导体中的导热过程达到了稳定？ ② 不良导体样品盘的厚度对测量结果有影响吗？③ 如果测量高低温热源温度所分别使用的温度计读数有偏差, 将会产生什么样的影响？有什么办法消除或减小影响？【引言】1. 热传导定律当物体内部各处的温度不均匀时, 就会有热量从温度较高处传递到温度较低处, 这种现象叫热传导现象。
早在1882年著名物理学家傅立叶（Fourier ）就提出了热传导的定律: 若在垂直于热传播方向x 上作一截面△S, 以 表示 处的温度梯度, 那么在时间△t 内通过截面积△S 所传递的热量△Q 为S dx d t Q x ∆⎪⎭⎫⎝⎛-=∆∆0θλ （3.14.1） 式（3.14.1）中 为传热速率, 负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处, 与温度梯度方向相反。
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量
实验简介
导热系数(又叫热导率)就是反映材料热性能的重要物理量。
热传导就是热交换的三种(热传导、对流与辐射)基本形式之一,就是工程热物理、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,在绝缘体与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。
在科学实验与工程设计中,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与动态法两类。
实验原理
dt时间内通过dS面积的热量dQ,正比于物体内的温度梯度,其比例系数就是导热系数,即:
(1)
式中为传热速率,就是与面积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就是导热系数,表示物体导热能力的大小。
在SI 中λ的单位就是W·m-1·K-1。
对于各向异性材料,各个方向的导热系数就是不同的(常用张量来表示)。
1、不良导体导热系数的测量
图1就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与T2(侧面近似绝热),即稳态时通过样品的传热速率为:
(2)
式中h B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与T2就是用传热圆筒A的底部与散热铜盘C的温度来代表,所以就必须保证样品与圆筒A的底部与铜盘C的上表面密切接触。
实验时,在稳定导热的条件下(T1与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与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C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与h C分别为C盘的半径与高度。
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
铜与c
铜
分别就是C盘的质量与比热容,
将此式代入式(3)中,有:
(5)
比较式(5)与(2),便得出导热系数的公式:
(6)
m铜、h B、R B、h C、R C、T1与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。
实验内容
本实验的主要内容为测量橡胶盘的导热系数。
1. 观察与认识传热现象、过程及其规律。
(1)用游标卡尺测量铜盘与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)接通自耦调压器电源,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与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与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。
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:
实际照片与程序中的显示
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:
实际照片与程序中的显示
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:
实际照片与程序中的显示
实际仪器仿真仪器游标卡尺:
实际照片与程序中的显示
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。
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:
实际照片与程序中的显示
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。