物理实验中的热传导实验方法与分析
精品课件-大学物理实验13-实验十三 固体导热系数的测定
测量方法：稳态法和动态法两类基本方法。本实验用稳态法测 定不良导热体——硅橡胶的导热系数。
发热铝盘 硅橡胶盘 散热铜盘
温度传感器
实验仪器
游标卡尺 电子天平
手套
传感器 温度显示
计时
发热盘 温 加度 热显 上示 限 温度设定
风扇开关 加热开关
导热系数
S
T1
h
待测硅橡胶盘
Q
（热流量）
t
傅立叶导热方程式
Q S (T1 T2 )
t
h
T2 所需测量量
单位：W/(m K)
1 Cal /(s cmC) 418.68W /(m K)
Δ Δ
Q t
、
h
、
T1、
T2、
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This color schlieren image reveals thermal convection from a human hand (in silhouette
导热系数是表征物质热传导性质的物理量，其测定有着重要的 实际意义（如房屋设计）。
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。导热系数低于0.22 W/（m·K）的一些固体材料 称为绝热材料。
实验十三 固体导热系数的测定
热传导 热对流 热辐射
热传递
热传导
热传导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。实质是由大量分子、原子或电子的 相互碰撞，而使热能（内能）从物体温度较高部分传到温度较 低部分的过程。热传导是固体中热传递的主要方式，在气体、 液体中它往往与对流同时发生。各种物质的热传导性能不同， 热传导过程的基本定律是博里叶定律。
物理导热系数实验报告
物理导热系数实验报告引言导热系数是描述材料导热性能的重要物理量之一。
通过测量材料的导热系数，可以评估其适用于哪些使用场景，如建筑材料、绝缘材料等。
本实验旨在通过测量不同材料的导热系数，探究不同材料的导热性能差异，并通过实验数据进行分析和讨论。
实验目的1. 掌握测量物体导热系数的方法和步骤。
2. 获得不同材料的导热系数数据。
3. 分析不同材料在导热性能上的差异。
实验原理导热系数是指单位时间内，单位面积上的热流通过材料时，材料单位厚度上温度梯度的大小。
导热系数的单位是W/(m·K)。
实验中，我们将使用热传导实验仪器进行测量。
该仪器由一个热源和两个温度计组成，在两个不同位置测量温度，通过计算温度差和时间，可以得到物质的导热系数。
实验步骤1. 准备实验材料：选择几种不同的材料，如金属、塑料、绝缘材料等。
2. 设置热源：将一个热源放置在实验台上，并调节温度为恒定值。
3. 安装温度计：将两个温度计分别安装在待测材料的两个不同位置，并记录下初始温度。
4. 开始测量：启动热传导实验仪器，记录下每隔一段时间的温度变化。
5. 数据处理：根据实验数据，计算每种材料的导热系数。
实验数据和结果材料初始温度() 温度差() 时间(s) 导热系数(W/(m·K))金属30 10 60150塑料30 5 60 50 绝缘材料30 3 60 10 根据上述数据，我们可以得出不同材料的导热系数。
可以看出，金属导热系数较大，说明其导热性能较好；塑料和绝缘材料的导热系数较小，表示它们的导热性能较差。
结论与讨论本实验以测量不同材料的导热系数为目标，通过实验数据和结果可以得出以下结论：1. 金属的导热系数较大，导热性能优良，适用于需要快速传热的场景。
2. 塑料和绝缘材料的导热系数较小，导热性能较差，适用于需要保温或隔热的场景。
3. 不同材料的导热性能差异主要受材料的分子结构、结晶形态和导热机制等因素影响。
在实验过程中，由于实验条件和仪器精度等因素的限制，实际测得的导热系数和理论值可能会存在一定的差异。
大学物理实验导热系数的测定
实验内容
记录橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）的直径、厚度DB、hB、DC、hC,黄铜盘质量mC，由实验室提供。
测量散热板（黄铜板）的冷却速率 ，计算。
稳态法测橡胶盘上下表面的温度10 和20
调整好实验装置,各盘之间不能有间隙。
调整电热板的供电方式,人为控制发热盘的温度在:
每隔2分钟观察散热盘的温度θ2 , 记录θ1 ， θ2；若在10分钟内θ2基本保持不变则系统的热传导已达到稳定状态。对最后10分钟内的5次温度分别求平均得θ10， θ20。
实验原理
考虑散热盘自由冷却与稳态时的散热面积不同，引入修正系数：
于是，导热系数为：
实验原理
0°C 冰水
4、温差热电偶的工作原理
两种金属接触处由于温度差而产生电动势的现象称为温差电动势，一般情况下，温差电动势近似与两接触端的温度差成正比。
检流计
加热
检流计
电压值即为温度示数
杜瓦瓶里冰水混合物为冷端；发热盘、散热盘分别与冷端形成两个温差电偶。
θ/mv
210
180
150
120
90
60
30
0
ｔ／Ｓ
用逐差法求冷却速率:
数据记录和处理
记录橡胶盘（样品）和黄铜盘（散热板）的直径、厚度DB、hB、DC、hC,黄铜盘（散热板）质量mC。
采用逐差法求散热板（黄铜板）在温度为20时的冷却速率 ，其中t=120s。
记录稳态时橡胶盘上下表面的温度10 和20
计算橡胶板的导热系数，并与标准值比较，计算出百分比误差。
操作要点
1
数字电压表调零，注意热电偶接线。实验过程中散热风扇保持开启。
2
构建稳态环境， 10保持在3.50mV±0.03mV范围内，测量20
4.2 热传导
4.2.4
通过平壁的稳定热传导
一、 通过单层平壁的稳定热传导 假设： (1) 平壁内温度只沿x方向变化，y和z方向上无温 度变化，即这是一维温度场。 (2) 各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。
b t
t1
Qx
t2
dx
Qx+dx
x
单层平壁热传导
图4-9
一维稳定的温度场：
t f x
傅立叶定律可写为：
一般来说，λ(金属固体) > λ(非金属固 体) > λ (液体) > λ (气体)。
λ的大概范围： λ(金属固体101～102 W/(m· K))； λ(建筑材料10-1～100 W/(m· ； K)) λ绝缘材料10-2～10-1 W/(m· ； K)) λ液体10-1 W/(m· ； K)) λ(气体10-2～10-1 W/(m· K))。
Q Q 2244 706 S 1 S 2 100% 100% 68.5% 2244 Q S 1
4.2.5
通过圆筒壁的稳定热传导
一、 通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定： (1) 各点温度不随时间而变，稳定温度场； (2) 各点温度只沿径向变化，一维温度场。 一维稳定的温度场：
解： 加保温层前单位面积炉壁的热损失为
Q S 1
此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：
t1 t3 700 130 Q 2244W / m 2 0.1 0.1 S 1 b1 b2 1 2 0.9 0.7
加保温层后单位面积炉壁的热损失为
式中： t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标；
(4-5)
── 时间。
常见热学实验
常见热学实验热学实验在物理学中起着重要的作用，它们通过测量和观察热量的传递、温度变化以及物质的热性质，帮助我们深入理解热力学原理和热力学过程。
本文将介绍一些常见的热学实验，并简要说明它们的实验原理和操作步骤。
一、热传导实验热传导是物体内部热量传递的过程，常用的热传导实验是测量不同材料导热性能的实验。
实验原理是利用热量从高温到低温的传导，测量不同材料导热速率的差异。
实验装置：实验装置包括热源、热传导棒和温度计。
热源提供高温，热传导棒用于传导热量，温度计测量棒上不同位置的温度。
操作步骤：首先将热源加热至一定温度，将热传导棒的一端与热源接触，然后将棒的另一端放置在冷却器中。
通过测量传导过程中各部位的温度变化，计算得到不同材料的导热性能。
二、热膨胀实验热膨胀是物体在受热时体积或长度发生变化的现象，热膨胀实验用于测量物体热膨胀系数。
实验装置：实验装置通常包括一个测量装置，如卡钳式膨胀计，一个恒温水槽和一个加热装置。
操作步骤：首先将测量装置安装在待测物体上，然后将待测物体放入恒温水槽中。
通过加热水槽中的水，使水温升高并传导给待测物体，测量装置会记录物体长度或体积的变化。
三、比热容实验比热容是物质吸收或释放单位质量热量所引起的温度变化的能力，比热容实验用于测量物质的比热容。
实验装置：实验装置通常包括一个热源、一个物质样品和温度计。
操作步骤：首先测量物质样品的质量，并将其加热到一定温度。
然后将加热后的样品置于一个装有水的容器中，测量水的温度变化。
通过测量物质输送给水的热量和水的质量，可以计算得到物质的比热容。
四、相变实验相变是物质在温度或压力变化时从一个态转变为另一个态的过程，相变实验用于研究物质的相变规律和热力学性质。
实验装置：实验装置通常包括一个热源、物质样品和一个温度计。
操作步骤：首先将物质样品加热至其熔点，然后记录熔化过程中的温度变化。
当物质完全熔化后，继续加热直到其沸点，记录沸腾过程中的温度变化。
通过观察和记录不同相变过程中的温度变化，可以研究物质的相变规律和热力学性质。
物理实验技术中的导热性测定实验步骤与注意事项
物理实验技术中的导热性测定实验步骤与注意事项导热性是物体传递热量的能力，对于材料的热传导特性的研究具有重要意义。
导热性测定实验是一种常见的物理实验技术，它可以帮助我们了解不同材料的导热性能，并为工程应用提供重要参考。
在进行导热性测定实验时，需要注意以下几个步骤和事项。
1. 实验前准备在进行导热性测定实验时，首先需要准备实验器材和样品。
常用的导热性测定实验仪器有热传导仪、热板、热电偶等。
根据具体实验要求，选择合适的仪器进行测量。
同时，选择合适的样品也是关键。
样品的形状和尺寸应符合实验要求，通常为块状物体。
选择合适的样品材料也需要根据实验目的来确定。
2. 温度控制与测量在导热性测定实验中，温度的控制与测量是非常重要的。
实验过程中需保证温度的稳定性，以保证测量结果的准确性。
在测量前，可使用温度计进行温度校正，确保测量结果的可靠性。
在测量中，采用的温度计一般为热电偶。
使用热电偶测量时，需注意将热电偶完全插入样品或测量表面，确保接触良好，避免温度测量误差的产生。
3. 实验步骤与操作导热性测定实验的实验步骤一般如下：a. 将样品放置于实验仪器的测量平台上，确保样品与平台接触良好。
b. 调节仪器的参数，如温度、加热功率等，根据实验要求进行设置。
c. 启动实验仪器，开始测量。
d. 根据实验仪器的要求，记录相应的数据，如时间、温度等。
e. 根据实验要求进行多次测量，以提高数据的准确性。
在操作实验仪器时，需要注意保持仪器的稳定性。
避免外界因素的干扰，如风力、振动等，对测量结果的影响。
4. 数据处理与分析在实验完成后，需要对测得的数据进行处理与分析。
根据实验的目的和要求，可以绘制温度-时间曲线，加热功率-温度曲线等。
通过对数据的分析，可以得到不同材料的导热性能以及相应的热传导特性。
在数据处理中，应注意排除异常数据的影响，并对数据进行合理的统计分析。
通过对数据的处理与分析，可以提高实验结果的可靠性和准确性。
5. 实验安全与注意事项在进行导热性测定实验时，应注意实验的安全性。
热量传递的三种基本方式导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。
一. 大空间自然对流换热的实验关联式 工程中广泛使用的是下面的关联式：
l / d 60
层流
湍流
二. 横掠管束换热实验关联式
• 外掠管束在换热器 中最为常见。 • 通常管子有叉排和 顺排两种排列方式。 顺叉排换热的比较： 叉排换热强、阻力 损失大并难于清洗。 影响管束换热的因 Pr 素除 Re 、 数外，还 有：叉排或顺排； 管间距；管束排数 等。
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影 响直到10排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管 束排数的因素作为修正系数。 气体横掠10排以上管束的实验关联式为
(5) 流体的热物理性质：
3 密度 [kg m ] 热导率 [ W (m C) ] 2 比热容 c [J (kg C) ] 动力粘度 [ N s m ] 运动粘度 [m 2 s] 体胀系数 [1 K ]
1 v 1 v T p T p
Nu c Re n Nu c Re n Pr m Nu c(Gr Pr)n
式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通常由图解法和 最小二乘法确定
④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的 物理意义
⑤模化试验应遵循的准则数方程 强制对流:
Nu f (Re, Pr)； Nu x f ( x ' , Re, Pr)
导热热阻：平壁，圆筒壁
q
t w1 t w 2 t w1 t w 2
t r t R
t
t w1
dt
dx
Φ
A
Q
0
tw2
R A
r
导热系数测定
导热系数的测定热传导是热量交换（热传导、对流、辐射）的三种基本方式之一，导热系数（又称热导率）是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。
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，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，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。
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。
材料又分为良导体和不良导体两种。
对于良导体一般用瞬态法测量其导热系数，即通过测量正在导热的流体在某段时间内通过的热量。
对于不良导体则用稳态平板法测量其导热系数。
所谓稳态即样品内部形成稳定的温度分布时即为稳态。
本实验就是用稳态法测量不良导体的导热系数。
【实验目的】1. 了解热传导现象的物理过程，巩固和深化热传导的基本理论；2. 学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数；3. 学会用作图法求冷却速率；4. 了解实验材料的导热系数与温度的关系。
【实验原理】1. 导热系数根据1882年傅立叶（）建立的热传导理论，当材料内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传向低温处，这时，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，其比例系数是热导系数，即：dS dzdT dt dQ λ-= （1） 式中dt dQ 为传热速率，dzdT 是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度，负号表示热量从温度高的地方传到温度低的地方，λ是导热系数。
国际单位制中，导热系数的单位为W ·m －1·K －1。
2. 用稳态平板法测不良导体的导热系数设圆盘P 为待测样品，如图1所示，待测样品P 、散热盘B 二者的规格相同，厚度均为h、截面积均为S（42DSπ=，D为圆盘直径），上下两面的温度为1T和2T保持稳定，侧面近似绝热，则根据（1）式可以知道传热速率为：ShTTShTTdtdQ2112-=--=λλ（2）为了减小侧面散热的影响，圆盘P的厚度h不能太大。
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物理实验中的热传导实验方法与分析热传导是热量从高温区向低温区传递的过程，它在我们的日常生活中起到重要的作用。
为了研究和了解热传导现象，物理实验中通常采用热传导实验方法。
本文将介绍热传导实验的基本原理、实验步骤以及数据分析方法。
一、热传导实验的原理
热传导实验主要研究热能的传递和转化过程。
在实验中，通常使用导热材料制作热传导实验器材，如金属棒。
热传导实验通过测量材料两端温度变化，分析材料导热性能的特性。
二、热传导实验的步骤
进行热传导实验的步骤如下：
1. 准备实验材料：选择合适的导热材料，如铝棒或铜棒，并确保其表面光滑。
2. 设置实验装置：将实验材料固定在两个热源之间，保持平衡。
3. 测量温度：使用温度计或热敏电阻等仪器测量实验材料不同位置的温度。
4. 加热热源：将一个热源与实验材料的一端接触，通过控制热源的温度和加热时间来确保温度变化符合实验需求。
5. 记录数据：实验过程中需要记录不同位置的温度变化，并注意记录时间。
6. 分析数据：根据实验数据的变化趋势，分析热传导实验材料的导热性能。
三、数据分析方法
在热传导实验中，我们常常使用以下方法来分析数据：
1. 绘制温度-时间曲线：将实验过程中不同位置的温度随时间的变化绘制成曲线图。
通过观察曲线的趋势，我们可以了解热能在材料中的传递速率和温度分布情况。
2. 计算热传导系数：热传导实验中的一个重要参数是热传导系数。
热传导系数可以通过测量材料的长度、截面积、温度差以及传导时间来计算。
3. 分析影响因素：通过对不同条件下的热传导实验进行对比，分析影响热传导的因素，如材料的导热性能、温度差、材料的长度和截面积等。
4. 推导结论：通过对实验数据进行综合分析和对比，得出关于热传导现象的结论。
由于篇幅有限，本文只对热传导实验的基本方法进行了简要介绍。
在实际实验中，根据具体的研究目的和实验要求，可能需要进行更多的实验步骤和数据分析方法。
希望读者能够通过本文对物理实验中的热传导实验有一定的了解，并能够进一步探索和研究这一领域。