稳态法测量不良导体导热系数20xx

实验名称：稳态法测量不良导体导热系数

姓名学号班级

桌号教室 第一实验楼楼611

日期 2012年月日时段

一、实验目的：

1. 理解导热系数的概念及意义；

2. 理解实验的设计思路；

3. 了解热电偶测温原理；

二、实验仪器：

导热系数测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表、PID自动控温装置）1台，保温杯1个，橡皮样品1块，牛筋样品1块，电木1块，冰水混合物若干

三、实验原理

导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传播热量的过程。当温度的变化只是沿着一个方向(设Z方向)进行的时候，热传导的基本公式可写为:

它表示在 ,dT/dz ，λ为，它的大小由决定，单位为 ,它是表征

的物理量，式中负号表示。

以图一所示的热学系统为例简要说明稳态法测量不良导体导热系数的思路。

四、实验步骤

1．多次测量下铜盘的质量m、直径D、厚度δ和待测物厚度L。自行设计数据记录表格。铜盘比热容C=3.805*10²J/кg?℃。

2．调试仪器到实验状态，安置圆盘到合适位置，注意铜盘与样品盘之间不要留有空隙。热电偶插入测温小孔时，请在热电偶尖端处少抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中。

3．根据稳态法，必须等温度分布稳定，才可以读数。这就要等待较长的时间。为了提高效率，可先将电源电压打到高档，加热至指定温度附近后再打至低档。然后，每隔2分钟观察一下温度示值，如在一段时间内（如10分钟）样品上、下表面温度T₁、T₂示值都不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时T₁、T₂值。要求T₁保持在60℃。

4．更换测试件，重复上步测得第二个测试件达到稳态时下铜盘的温度。（上铜盘仍控制在60℃）

5．记录稳态时T₁、T₂值后移去样品，使上铜盘直接对下铜盘加热至60℃时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，绘出下铜盘冷却曲线，求出冷却速率。

6．根据实验数据计算导热系数，并进行比较。

本实验选用铜康热电偶测温度，其温度与电动势的关系见附表铜—康铜热电偶分度表。我们可以通过测量热电偶两端的电动势得到温差。所使用的数字电压表集成在了仪器上。

7．用自动控温法测某种样品在60℃时的导热系数。设置自动控温温度点为60℃，待系统达到稳态时，测出T₁、T₂值。照上述方法测出下铜盘T₂温度时的自然冷却速率。求出该样品的导热系数。

注意：①自动升温较慢时，可先用手动高档加热，临近60℃时再转为自动控制；

②自动控温显示的为上铜盘温度，与电压表换算出的温度可能出现不一致（二者定标方式不同）。请以热电偶测量的温度为准。

五、实验数据记录与数据处理

1、自行设计记录表格，包括所需测量的铜盘、材料盘的尺寸、质量等。

2、测量稳态时材料盘上下表面温度

3、测量P盘在T₂温度附近的冷却速率。（先做出冷却曲线，再求T₂温度时的冷却速率）

4、计算导热系数。

六、实验思考题

应用稳态法是否可以测量良导体的导热系数，如可以,对实验样品有什么要求，实验方法与测不良导体有什么区别。（请从稳态法测定不良导体的实验思路去思考）

附表：铜—康铜热电偶分度表

第二篇：稳态法测量热导率

近代物理实验上

稳态法测量热导率

一、实验目的

1.学会用稳态平板法测定不良导体的导热系数；

2.学习用作图法求解热速率。

二、实验仪器

FD-TC-B型导热系数测定仪装置如图1所示，它由电加热器、铜加热盘C、橡皮样品圆盘B、铜散热盘P、支架及调节螺丝温度传感器以及控温与测温器组成。

图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图

三、实验原理

稳态法测量热导率1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法。实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。

设稳态时，样品的上下平面温度分别为、，根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式：

（1）

式中为样品的导热系数，为样品的厚度，S为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为，则由（1）式得：

（2）

实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P，散热盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B，样品B上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘C是由单片机控制的自适应加热，可以设定加热盘的热盘的温度。

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等。因此，可以通过散热盘P在稳定温度时的散热速率来求出热流量

实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度后，将样品B抽去，让加热盘C与散热盘P解触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的值20以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t的下降情况，求出散热盘在时的冷却速率，则散热盘P在时的散热速率为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积修正：

　　　　　　　　　　　　　　　（４）

其中为散热盘Ｐ的半径，为其厚度。

由（2）式和（4）式可得：

　　　　　　　　　　　　（５）

所以样品的导热系数为：

四、实验步骤

（1）取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与

加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；

（2）按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘接触良好。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。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换）

（3）接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，设定控制温度50摄氏度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘当时的温度；

（4）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在十分钟或者更长的时间内加热加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了；

（5）按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，按升温设置到80摄氏度，设置完成按“确定”键，使到45摄氏度即可；

（6）按复位键，移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10秒（或者30秒）记录一次散热盘的温度示值，由临近值的温度数据中计算冷却速率，也可根据记录数据做冷却曲线，用镜尺法做曲线在点的切线，根据切线斜率计算冷却速率；

（7）根据测量得到的稳态时的温度值和，以及在温度时的冷却速率，由公式计算不良导体的导热系数。

五、注意事项

为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂

或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘紧密接触，注意中间不要有空气隙；也不要将螺丝拧得太紧，以影响样品的厚度。

导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中一定要，打开风扇。

数据处理

基本数据参数

样品：橡皮室温：20摄氏度