固体导热系数的测定

固体导热系数的测定东南大学物理系背景介绍由于温度不均匀，热量会从温度高的地方向温度低的地方转移，这种现象叫做热传导。热交换有三种基本形式：导热、对流和辐射。

导热是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情况下由于温差引起的热量的传递过程。材料导热性能的测量对工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域都有重要意义。

导热系数（又称导热率）是反映材料导热性能的物理量，不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力以及杂质含量等相联系，所以在科学实验和工程设计中，材料的导热系数都需要用实验的方法来测定。早在19世纪初，法国科学家傅立叶就已根据实验得到热传导基本关系，并在其著作《热的解析理论》中详细的提出了热传导定律。目前各种测量导热系数的方法都建立在傅立叶热传导定律基础上。目前，测量导热系数的方法可分为稳态法和动态法两类。本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。J.B.J.Fourier(1786-1830)实验原理热传导定律指出：如果热量是沿着z方向传导，那么在z轴上任一位置Z0处取一个垂直截面积dS，以

表示在z处的温度梯度，以

表示该处的传热速率（单位时间内通过截面积dS的热量），那么传导定律可表示成：

利用上式测量材料的导热系数λ，需解决两个关键的问题：

Ⅰ.如何在材料内造成一个温度梯度并确定其数值；

Ⅱ.如何测量材料内由高温区向低温区的传热速率。导热系数：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过截面单位面积的热量。Ⅰ.测量温度梯度上铜板A样品B下铜板p加热传热散热Dh稳定温度T1稳定温度T2要求：1.样品加工成和上下加热铜板等大的圆，且h<<D；2.铜板与样品表面紧密接触无缝隙。Ⅱ.测量传热速率单位时间内通过某一截面积的热量是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。稳态时：加热速率=传热速率=散热速率，因此利用铜板的散热速率与冷却速率的关系：铜板A加热样品B传热铜板P散热只要测出下铜板在T2时的冷却速率就能得出样品的传热速率！

铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳态温度T2（大约高出10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T—t曲线（如下图），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。铜板A加热铜板P散热

应该注意的是，这样得出的是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，而在实验中稳态传热时，铜板的上表面是被样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：代入热传导定律表达式，即可得到导热系数：实验仪器本实验主要仪器有：YBF-5型导热系数测定仪，测试材料，测试连接线，塞尺、游标卡尺等。YBF-5型导热系数测定仪防护罩

加热盘(上铜板A）样品位置

散热盘（下铜板P）

风扇（实验完毕，给系统散热）温度控制器温控开关计时秒表测温PT100样品胶木板硅橡胶实验内容根据我们推导出的导热系数的公式：可以把实验步骤大致分为三步：Ⅰ.基本参数的测定（m、hp、Rp、R、h）；Ⅱ.测量稳态时上下铜板的温度（T1、T2）；Ⅲ.测定下铜板在T2的冷却速率。基本参数的测定：

用游标卡尺测量样品、下铜盘的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量取平均值。其中铜板的比热容c=0.385kJ/（K·kg）；测量稳态时上下铜板的温度：1、先放置好下铜盘（散热盘）及待测样品，按压加热盘连接杆顶部，使上铜盘与待测样品接触紧密后，固定杆位置。调节下圆盘托架上的三个微调螺丝，使待测样品与上、下铜盘接触良好（可配合塞尺进行调节）。热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些导热硅脂，并插到洞孔底部，使PT100测温端与铜盘接触良好，默认PT100Ⅰ接上铜盘（加热），PT100Ⅱ接下铜盘（散热）。2、设定加热温度：按一下温控器面板上设定键（S），此时设定值（SV）显示屏一位数码管开始闪烁。再按设定键（S）左右移动到所需修改的位置，通过加数键（▲）、减数键（▼）来设定好实验所需的加热温度。数码管等待8秒钟后自动停止闪烁，返回至正常显示状态。绿色为测量值，红色为设定值。3、待上铜盘的温度稳定后，观察下铜盘的温度变化情况，每隔30秒左右记录上、下铜板A和P对应的温度，待下铜板的温度读书在3分钟内变化小于0.1℃，即可认为已达到稳定状态，记下此时的T1和T2值。

测定下铜板在T2的冷却速率：

记录稳态时的T1和T2值后，松开上铜板使用工具移去样品，通过上铜板继续对下铜板加热，当下铜板温度比T2高出10℃左右时，向上移开上铜板加热盘（尽可能远离下铜板），让下铜板所有表面均暴露于空气中，使其自然冷却。每隔10~30秒读一次下铜板的温度示值并记录，直至温度下降到T2以下一定值。作铜板的T—t冷却速率曲线。（选取临近T2的测量数据来求出冷却速率）。根据公式计算样品的导热系数λ。

注意事项1、使用前将加热盘与散热盘的表面擦干净，样品两端面擦净，可涂上少量硅油，以保证接触良好。不要使样品两端划伤，以免影响实验的精度