不良导体的导热系数的测定

关于不良导体的导热系数的测定第1页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三

导热系数又称热导率，是表征物质热传导性质的物理量，测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。良导体:导热系数大、导热性能好的材料不良导体:导热系数小、导热性能差的材料橡胶为0.22W.m-1.K-1

约为不良导体的102～103倍，例如铜为4.0×102W.m-1.K-1

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一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程技术中对材料的导热系数常用实验的方法测定。测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本实验采用稳态法测量不良导体的导热系数。第3页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【

实验目的】

1.学习一种测量不良导体导热系数的方法-稳态法；体会绕过不便测量的量（使用参量转换法）的设计思想。2.学会用最小二乘法求散热速率。第4页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验仪器】

游标卡尺（0~150mm，△游=0.02mm）、MCTH20型不良导体系数实验仪(散热盘质量△m=1g，温度△T=0.01℃)第5页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三加热后【

实验原理】

傅里叶热传导方程ST1T2h图2.5-1均匀圆柱体忽略导体的侧面无热量散失，相同的时间内流过各截面的热量必然相等，这时整个导体呈动态热稳定状态。导热系数传热速率第6页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三用稳态法间接测量样品的导热系数原理图2.5-2样品热传导稳态时：样品任一横截圆面的传热速率（不计样品盘的向空气散发热量）及等于散热盘的散热速率，样品

上下表面分别维持在稳定温度

。(2.5.2)样品任一横截圆面的传热速率为第7页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三散热盘在温度

时的散热速率由下式给出

其中，c为散热盘铜盘材料的比热容，

为散热盘的质量，

表示散热盘在温度

冷却速率。散热盘在稳定温度

附近时的散热速率为(2.5.3)第8页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三系统传热达到一种稳定状态时，联立式2.5.2和式2.5.3，得由上式可知，关键是求散热盘在稳态温度T2附近时的冷却速率

，由式2.5.5可得样品的导热系数

。（2.5.5）测量冷却速率的方法：自然冷却法第9页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三考虑到冷却速率还与散热面积成正比，2.5.5式应乘以面积因子进行修正，导热系数有（2.5.6）其中

为下铜盘半径，hp为下铜盘厚度第10页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】

1用游标卡尺分别测出样品盘（橡胶盘）和散热盘的直径

、

与厚度

、

各测6次，然后取平均值。数据记录见表格2.5.1。2按下图所示连接实验装置。第11页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】图2.5­4开机后LCD显示图2.5-5热平衡过程LCD显示3打开主机背部电源开关，进入热平衡，打开加热开关，当T2的数值在10分钟之内几乎不变化，便可以视为达到热平衡。记录热平衡时两盘的温度T1、T2。第12页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】4

热平衡后，关闭加热开关，按“QUIT”键退出，将样品从铜板中间取出，让上铜盘贴近下铜盘，然后进入“再升温”选项直接加热下铜盘（打开加热开关），当T2高于下铜盘平衡温度10度后，显示“OK”。如图2.5-6所示，箭头对应温度为下铜盘平衡温度。图2.5-6再加热过程LCD显示第13页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】5按“QUIT”键退出，关闭加热开关，取走上铜盘，进入“冷却”选项，让下铜盘自然冷却，当T2低于下铜盘平衡温度10度后，显示“OK”，如图2.5-7所示。图2.5-7冷却过程LCD显示第14页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】6

“列表”：分别查看三个实验过程的数据，按上下键翻页。“曲线”：分别回放三个实验过程采集的T-t曲线，并显示平衡时上下温度。7在

值临近处上下各取三个温度值，用最小二乘法求出铜盘的冷却速率

，并计算样品的导热系数。第15页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三热平衡时，加热盘温度散热盘温度冷却过程中，数据记录如下：(s)(℃)表2.5.2平衡温度以及冷却时时间、温度记录第16页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三表2.2等精度数据第17页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【实验内容】8计算样品的导热系数实验最佳值样品在273K时导热系数的参考值任意温度下的标准值我们按室温

计算标准值，并和平均值比较计算出相对误差。第18页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三相对误差注：上式中为样品在300K时导热系数为实验计算的最佳值第19页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三【注意事项】

1.在测试散热盘的散热速率时，取走样品之前，一定要先关掉电源，然后再让加热盘与散热盘接触，同时绝不能用手去碰触加热盘与散热盘。小心操作！注意安全，避免烫伤。2.实验结束后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以免影响实验的精度。第20页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1什么叫稳态导热？如何判定实验达到了稳定导热状态？2什么是传热速率、散热速率、冷却速率？这三者在稳态测量时有什么内在联系？【分析思考】第21页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1.稳态导热”全称“稳定状态导热”，亦称“稳定导热”。物体内各点的温度不随时间而变化的导热过程。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10min内保持不变，判断实验达到了稳定导热状态。2.传热速率：单位时间内通过物体横截面的热量；散热速率：物体单位时间内散失的热量；冷却速率：单位时间内物体温度的减少量。三者之间的联系：根据热传导定律测量导热