实验3-10 测量不良导体的导热系数

实验3-7稳态法测定不良导体的导热系数

实验报告

【实验目的】

1.了解稳态的概念和实现稳态的思想和方法。

2.深刻理解稳态平板法测量材料导热系数的实验设计思想（实验中以传热率等于散热率为判别依据），掌握实验方法。

3.掌握通过散热速率测量传热速率、测量冷却速率求散热速率的间接测量思想。

4.了解运用理论分析和实验观测确定实验的最佳条件和参数的基本方法。

5.介绍热电偶的基本知识，熟练掌握电测温度的方法。

6.学会用逐差法求直线斜率。

7.学会用电子秒表测量时间。

【实验原理】

热传导也叫导热，它是指物体个部分之间或不同物体之间直接接触时由于物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递现象。热传导是靠物体内部存在的温度梯度使热量从高温区域向低温区域传递的过程。在热传导过程中，物体各部分的温度不随时间而变化-----稳态导热。在稳态导热过程中，每一个物质单元流出和流入的热量均相等-----热平衡。1882年法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶研究得出了一个热传导的基本公式-----傅里叶方程式，即：

（1）

其中h、S分别为待测物体的沿热传导方向上的高和面积，为导热系数。由于热平衡时每一个物质单元流出和流入的热量均相等，则：

而在本实验中加热时是一面受热，散热时是上下两面，这样上式应修改为：

（2）

将（2）式代入（1）式得：

（3）

从上式可知，要达到实验目的关键是冷却速度的确定，而冷却速度的确定是用热电偶来测量的。热电偶是由不同成分的金属或合金彼此紧密接触连接成一个闭合回路。如果两接点分别处于不同的温度中，则回路中就会产生电动势，该电动势称为温差电动势或热电动势，同时把这种现象称作热电效应。这种电路被称为温差电偶或热电偶。本实验采用的是铜--康铜金属丝热电偶测量温度的变化。由于温度变化在本实验中可认为是线性变化。所以可直接用电动势值来代替温度的变化。这样（3）式可改写为：

【实验装置及仪器】

1．游标卡尺、托盘天平和电子秒表：测量长度、质量和时间。

2. TC－2型导热系数测定仪：加热待测样品，实现稳态。

3. 热电偶、杜瓦瓶和数字电压表：通过测量热电偶温差电动势测量温度。

【实验内容】

（1）用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径和高度，用天平称出散热盘的质量，各测量5次。

（2）安装、调整、熟悉整个实验装置。安放加热盘和散热盘两铜盘时，须使插入热电偶的小孔与杜瓦瓶、数字电压表位于同一侧。调节散热盘下面的三个螺旋测微头，使待测样品的上下表面恰与加热盘和散热盘紧密接触。热电偶热端沾些硅油插入孔，直至孔底，保证热电偶热端与铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶中灌少量硅油的细玻璃管内，浸入冰水混合物中。

（3）通电加热。为缩短达到稳态传热的时间，先用220V电压加热约10～20min左右，然后转换为110V电压加热，每隔2min左右记录一次加热盘和散热盘的温度值（数字电压表的读数）。加热过程中打开散热盘下面的微型轴流式风扇，以形成一个稳定的散热环境。若连续5min内样品上、下表面的温度保持不变（电压表读数末位数相差1_~2），可以认为达到稳定状态，记下此时样品上、下表面的温度值T₁和T₂。

（4）取出样品，使加热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的T₂高出约10℃（电压表读数约增加0.5mV）时，停止加热，并立即移去加热盘，让散热盘开始自然冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。

【数据记录及处理】

1．测量待测样品和散热盘的直径、高度和质量

表1 基本量测量数据表

2.求冷却速率

（1）作图法处理实验数据，

表2测量冷却速率数据表

由上图知直线方程：y=-0.002x+3.3385,斜率0.002表示的大小，单位为mv/s，即冷却速率。

（2）逐差法处理实验数据，选取邻近温度T₂前后各4组测量数据，用逐差法求温度T₂时散热盘的冷却速率。

表3冷却速率数据表

3.求出待测样品的导热系数及其不确定度

将以上数据代入下式，即可得出导热系数。

=0.003

结果表示为：

【实验注意事项】

1．实验装置呈装配式，实验中又需要不断变换，操作必须小心谨慎。

2．放加热盘、散热盘时，将其小孔与保温瓶在同一侧，以免热电偶引线错乱。热电偶丝较细，应尽量避免弯折。

3．热电偶测温点必须与被测物体接触良好。

4．实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意避免烫伤。

5．在测定散热盘的冷却速率时，加热盘升起移开后必须牢牢地固定在机架上，防止实验过程中下滑造成事故。

6．不要频繁使用仪器上的电源开关。

【思考题】

1、稳态平板法测量导热系数实验中，稳态指的什么？根据什么条件判断是否达到稳态？

实验时，加热盘将热量通过样品的上表面传入样品，同时传入样品的热量不断经过样品的表面通过散热盘向外界散发。当传入样品的热量对于散发出的热量时，样品处于稳定的导热状态，达到稳态。稳态时加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根据样品上、下表面的温度（即加热盘和散热盘的温度）连续5min内保持不变（电压表读数末位数相差1_~2），判断达到稳定状态。

2、实验中为什么要测量散热盘的冷却速率？

根据热传导定律测量导热系数需要测量传热速率，但是传热速率难于直接测量。稳态法测量导热系数就是根据稳态时传热速率等于散热速率，通过测量散热速率得到传热速率。而散热速率是通过测量在稳态时散热盘的冷却速率求得的。因此，稳态法测量导热系数的基本思路为：实现稳态→测量冷却速率→求出散热速率→等于传热速率→计算导热系数。

第二篇：7-实验2—18 不良导体导热系数的测定

实验2—18 不良导体导热系数的测定

导热系数，工程上又称热导率，是描述材料性能的一个重要参数，在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。由于材料结构的变化对导热系数有明显的影响，导热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义，而且对新材料的研制和开发也具有重要意义。

测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。测量良导体和不良导体导热系数的方法各有不同。对于良导体，常用流体换热法测量所传递的热量，计算导热系数；对于不良导体，通过测量传热速率，间接测量所传递的热量，计算导热系数。稳态平板法是测量不良导体导热系数的一种常用方法。

【实验目的】

1．掌握不良导体导热系数的测定方法——稳态平板法。

2．利用物体的散热速率求传热速率。

3．了解相关仪器及热电偶测温度。

【实验仪器】

本实验所用仪器有：实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、热电偶、电压表、秒表等。

实验装置如图2—18—1所示，在支架D上先后放上圆铜盘C、待测样品B和厚底紫铜圆筒A。在A的上方用红外灯L加热，使样品上、下表面各维持稳定的温度T₁、T₂，它们的数值分别用各自的热电偶E来测量，E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。G为双刀双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路，电压表F用以测量温差电势。

【实验原理】

热传导理论指出，只要物质内部的温度不均匀，便有热量传递。根据热传导定律，沿直线Z方向，在dt时间内通过垂直于L方向上的面积元ds传递的热量为

式中负号表示热量沿着温度降低的方向传递；是温度梯度；为导热系数。

对于一个厚度为h、面积为S的圆形板状的不良导体，若维持上、下面稳定的温度T₁和T₂,其侧面绝热，则在时间t内，沿着与S面垂直方向上传递热量可表示为

（2－18－1）

本实验装置如图2—18—1所示，由上述热传导基本公式通过待测样品B板的传热速率可写成：

（2—18—2）

式中h_B为样品厚度，R_B 为样品圆板的半径，T₁为样品圆板上表面的温度，T₂为其下表面的温度，λ为样品B的导热系数。

当传热达到稳定状态时，T₁和T₂温度值稳定不变，通过B板的传热率与黄铜盘C向周围环境的散热速率完全相等。因而可通过黄铜盘C在稳定温度T₂时的散热率来求出△Q/△t。实验时，当读得稳态时的T₁、T₂后，即可将样品B板取走，让圆筒的底盘与下盘C接触，使盘C的温度上升到高于T₂若干度后，再将圆筒A移去，让黄铜盘C作自然冷却，求出黄铜盘在T₂附近时的冷却速率。则（m为黄铜盘的质量，c为黄铜盘的比热）就是黄铜盘C在T₂时的散热率。但由此求出的△T/△t是黄铜盘C的全部表面暴露于空气中的冷却速率，即散热表面积为，而实验中达到稳态传热时，C盘的上表面面积πR_C²是被测样品所覆盖着的，考虑到物体的冷却速率与它的表面成正比，校正后，本仪器在稳态时的传热速率为：