导热系数的测定

1、杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心实验实验4 导热系数的测定导热系数的测定杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心前言前言实验目的实验目的实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容注意事项注意事项问题与讨论问题与讨论杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心 导热系数（热导率）是反映材料导热性能的一个重导热系数（热导率）是反映材料导热性能的一个重要参数，在科学实验和工程技术中都要涉及这个参数。要参数，在科学实验和工程技术中都要涉及这个参数。材料按导热性能，可分为良导体和不良导体，通常导电材

2、料按导热性能，可分为良导体和不良导体，通常导电材料大部分是热的良导体。导热系数的测定大体上分为材料大部分是热的良导体。导热系数的测定大体上分为稳态法和动态法。稳态平板法是测量不良导体导热系数稳态法和动态法。稳态平板法是测量不良导体导热系数的一种常用方法，该法也可测量良导体的导热系数。本的一种常用方法，该法也可测量良导体的导热系数。本实验采用稳态平板法测量材料导热系数。实验采用稳态平板法测量材料导热系数。前言前言杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心实验目的实验目的1 1、了解热传导的基本规律，掌握稳态平板法测、了解热传导的基本规律，掌握稳态平板法测 材料导热系

3、数的方法。材料导热系数的方法。2 2、利用物体的散热速率求传热速率。、利用物体的散热速率求传热速率。3 3、学会用热电偶测量温度。、学会用热电偶测量温度。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心1. 热传导定律热传导定律 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。度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。傅里叶提出傅里叶提出: :如果热量沿着如果热量沿着x方向传导，那么在方向传导，那么在x轴上任轴上任意位置意位置x0处取一个垂直截面处取一个垂直截面S（如图），以（

4、如图），以 表示在表示在x处处的温度梯度，那么在时间的温度梯度，那么在时间t内通过截面积内通过截面积S所传递的所传递的热量热量Q为为实验原理实验原理dxdT杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心这就是傅立叶热传导定律。这就是傅立叶热传导定律。式中负号表示热量从高温区向低稳区传导（即传导式中负号表示热量从高温区向低稳区传导（即传导的方向与温度梯度的方向相反）。式中比例系数的方向与温度梯度的方向相反）。式中比例系数 即为导热系数，它即为导热系数，它表示相距单位长度的两平面的温表示相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积度相差为一个单位时

5、，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦所传递的热量，单位是瓦米米-1 -1 开开-1-1（W W m m- -1 1K K-1-1）。）。SdxdTtQ杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心2.稳态法测传热速率稳态法测传热速率 待测样品上下表面与发热盘和散热盘紧密接触，热量由待测样品上下表面与发热盘和散热盘紧密接触，热量由发热盘通过样品上表面传入，并由样品下表面向散热盘发热盘通过样品上表面传入，并由样品下表面向散热盘散发。散发。 样品样品发热盘发热盘 （黄铜盘）（黄铜盘） 散热盘（黄铜盘）散热盘（黄铜盘）截面面积截面面积Sh1热量热量测量样品导热系数

6、的实验装置如图测量样品导热系数的实验装置如图杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心当样品上下表面温度可以认为是均匀分布，且样品当样品上下表面温度可以认为是均匀分布，且样品盘厚度盘厚度h1不很大可忽略样品侧面散热的影响时，傅立叶不很大可忽略样品侧面散热的影响时，傅立叶热传导定律可改写为：热传导定律可改写为：ShTTt121Q当当T1、T2稳定时，通过样品的传热率和黄铜盘向稳定时，通过样品的传热率和黄铜盘向侧面和下表面的散热率相同。侧面和下表面的散热率相同。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心202101QTTTTtqt式中式中

7、 是样品的传热速率，是样品的传热速率， 是黄铜盘的散热速率，是黄铜盘的散热速率， T10、T20是热稳态样品上下表面温度。由此可知，只要是热稳态样品上下表面温度。由此可知，只要求得热稳态时黄铜盘的散热速率求得热稳态时黄铜盘的散热速率 ，即可求得样品的，即可求得样品的导导热系数热系数 。tQtqtq黄铜盘的散热速率：黄铜盘的散热速率：202202TTTTtTmctq杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心式中式中k是黄铜散热盘的冷却速率，是黄铜散热盘的冷却速率，m是黄铜盘质量，是黄铜盘质量，c是黄是黄铜比热（铜比热（c=3.77102J/kgk）。）。202TTt

8、Tk那么样品的那么样品的导热系数导热系数 21212114TTdmckhTTsmckhd是样品盘的直径。是样品盘的直径。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心3、散热盘冷却速率、散热盘冷却速率 冷却速率的定义是单位时间内温度的改变量冷却速率的定义是单位时间内温度的改变量tTk它和材料、表面情况、周围环境的温差有关。本实验它和材料、表面情况、周围环境的温差有关。本实验中的中的k是稳态（是稳态（T=T20）时的）时的冷却速率，测量方法如下：冷却速率，测量方法如下：测好测好T10、T20后将样品盘抽去，使发热盘与散热盘直接接后将样品盘抽去，使发热盘与散热盘直接接触，

9、使散热盘温度高于触，使散热盘温度高于T20 ，再冷却，测出，再冷却，测出T-t变化关系，变化关系，并作冷却曲线。并作冷却曲线。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心求出求出T=T20时切线的斜率时切线的斜率K（即冷却速率）（即冷却速率）T20注意：测冷却速率时，散热盘散热环境应和测稳态温度注意：测冷却速率时，散热盘散热环境应和测稳态温度T10、T20时相同。散热面积不同时，应予修正。时相同。散热面积不同时，应予修正。散热稳态SSkk稳态时散热面积稳态时散热面积散热时散热面积散热时散热面积杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心实

10、验仪器实验仪器游标卡尺游标卡尺物理天平物理天平测试样品：硬铝、橡皮测试样品：硬铝、橡皮圆盘圆盘FD-TC-型导热系数测定仪型导热系数测定仪杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心仪器简介仪器简介杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心固定于底座上的个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜固定于底座上的个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，在散热盘上安放一待测圆柱或圆盘样品，样品上盘，在散热盘上安放一待测圆柱或圆盘样品，样品上再安放一加热圆盘；使样品上下表面维持温度再安放一加热圆盘；使样品上下表面维持温度T1、T，T1、T的值用安插在加热圆盘、散

11、热铜盘深孔中的值用安插在加热圆盘、散热铜盘深孔中的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶冷的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动势。势。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心 1 1、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径d d和高度和高度h h。 2 2、用物理天平称衡散热盘的质量、用物理天平称衡散热盘的质量m m。3 3、安装、

12、调整整个实验装置。、安装、调整整个实验装置。（1 1）将样品盘放在散热盘和发热盘之间，调节系统使样）将样品盘放在散热盘和发热盘之间，调节系统使样品盘上下两表面与散热盘和发热盘紧密接触。品盘上下两表面与散热盘和发热盘紧密接触。（2 2）将铜）将铜- -康铜热电偶热端插入散热盘和发热盘侧面小康铜热电偶热端插入散热盘和发热盘侧面小孔中，保证热电偶热端与铜盘接触良好。热电偶冷端插入孔中，保证热电偶热端与铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶的冰水混合物中。杜瓦瓶的冰水混合物中。 实验内容实验内容杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心4 4、测量稳态时样品盘上下两个表面的温

13、度测量稳态时样品盘上下两个表面的温度T T1 1和和T T2 2。 将发热板电源电压打到将发热板电源电压打到220V220V档，并打开冷却风扇。档，并打开冷却风扇。当发热盘温度达到当发热盘温度达到4.00mV4.00mV后即可将开关转换到后即可将开关转换到110V110V档，档，每隔每隔3min3min左右记录一次发热盘和散热盘的温度值（数字左右记录一次发热盘和散热盘的温度值（数字电压表的读数）。若连续电压表的读数）。若连续10min10min发热盘和散热盘的温度发热盘和散热盘的温度保持不变（电压表读数末位数相差保持不变（电压表读数末位数相差1 1 2 2），即可认为已），即可认为已达到热稳定

14、状态。记下此时数字电压表的读数并查表得达到热稳定状态。记下此时数字电压表的读数并查表得出相应的温度出相应的温度T T1 1和和T T2 2 。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心5 5、测散热盘冷却速率。、测散热盘冷却速率。 取出样品，使发热盘与散热盘直接接触，再加热。取出样品，使发热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的当散热盘温度比稳态时的T T2 2高出约高出约2020（电压表读数约（电压表读数约增加增加0.8mV0.8mV）时，停止加热，移去加热盘，并覆盖原样品）时，停止加热，移去加热盘，并覆盖原样品盘，让散热盘在风扇作用下冷却，并马上每

15、隔盘，让散热盘在风扇作用下冷却，并马上每隔30s30s记录一记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV0.5mV为止。为止。 以时间为以时间为X X轴，温度为轴，温度为Y Y轴作出散热盘的冷却曲线轴作出散热盘的冷却曲线，画出经过冷却曲线上，画出经过冷却曲线上T T2 2点的切线，其斜率即为温度点的切线，其斜率即为温度T T2 2时时散热盘的冷却速率散热盘的冷却速率。杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心 数据处理数据处理1 1、根据、根据计算计算 及其不确定度，正确表示结果。及其不确定度，正确表示结

16、果。2、将测得样品的、将测得样品的 与标准值与标准值 0比较，计算百分误差比较，计算百分误差。21214TTdmckh杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心1 1、热电偶丝较细，操作时应小心，以免折断。、热电偶丝较细，操作时应小心，以免折断。 2 2、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。 3 3、放置冰块时应小心轻放，以免打破杜瓦瓶。、放置冰块时应小心轻放，以免打破杜瓦瓶。4 4、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意避免烫伤。避免烫伤。 5、在测冷却速率时，移开发热盘后

17、必须将它紧紧固定、在测冷却速率时，移开发热盘后必须将它紧紧固定在机架上，以防在实验过程中下滑而造成事故在机架上，以防在实验过程中下滑而造成事故。注意事项注意事项杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心1 1、求冷却速率时、求冷却速率时, ,为什么要在散热盘稳态为什么要在散热盘稳态 温度附近选值？温度附近选值？ 2 2、稳态法测量导热系数、稳态法测量导热系数, ,要求哪些实验条要求哪些实验条 件？在实验中如何确定和保证？件？在实验中如何确定和保证？3 3、在测定散热盘的散热曲线时，若散热盘、在测定散热盘的散热曲线时，若散热盘 上不覆盖原样品盘，对实验结果是否有上不

18、覆盖原样品盘，对实验结果是否有 影响，为什么？影响，为什么？ 问题与讨论问题与讨论杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电子科技大学杭州电子科技大学物理实验教学示范中心物理实验教学示范中心杭州电