学生物理实验报告
实验名称固体导热系数的测定
学院专业班级报告人学号
同组人学号
理论课任课教师
实验课指导教师
实验日期
报告日期
实验成绩
批改日期
冰水混合物
电源 输入
调零
数字电压表
FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表
T 2
T 1
220V
110V
导热系数测定仪
测1
测1 测2
测2 表 风扇
A
B C
导热系数的测量 【实验目的】 用稳态法测定出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。 【实验仪器】 导热系数测定仪、铜- 康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤 ( 公用 ) 、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 【实验原理】 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、 T2的平行平面（设T1>T2），若平面面积均为 S，在t 时间内通过面积S 的热量Q 免租下述表达式： Q S (T 1 T 2 ) （3-26-1 ） t h 式中，Q 为热流量； 即为该物质的导热系数，在数值上等于相距单位长度的两平面t 的温度相差 1 个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是W (m K ) 。 在支架上先放上圆铜盘P，在 P 的上面放上待测样品B，再把带发热器的圆铜盘 A 放在B 上，发热器通电后，热量从 A 盘传到 B 盘，再传到 P 盘，由于 A,P 都是良导体，其温度即可以代表 B 盘上、下表面的温度 T1、T2，T1、 T2分别插入 A、P盘边缘小孔的热电偶 E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G， 切换 A、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1 ）可以知道，单位时间内通过待测样品 B 任一圆截面的热流量为 Q (T1 T2 ) R B2 (3-26-2) t h B B B 1 2 的值不变，式中， R 为样品的半径， h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时， T 和 T 遇事通过 B 盘上表面的热流量与由铜盘 P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜 2 的散热速率来求出热流量Q 。实验中，在读得稳定时 1 2 盘 P 在稳定温度 T t T 和 T 后，即可将 B 盘移去，而使 A 盘的底面与铜盘 P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的 T2值若干摄氏度后，在将 A 移开，让 P 自然冷却。观察其温度T 随时间 t 变化情况， 然后由此求出铜盘在T2的冷却速率T T , 而 mc , 就是铜盘 P 在温度为 T2时的散t T T2 t T T2 热速率。但要注意，这样求出的T 是铜盘 P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率，t T T2 其散热表面积为 2 R B2 2 R P h P。然而，在观察测量样品的稳态传热时，P盘的上表面是被样品覆盖着的，并未向外界散热，所以当样品盘 B 达到稳定状态时，散热面积仅为：
导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。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设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 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。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： 当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量低温侧
铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，C 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。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（见图 2），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。 应该注意的是，这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度），然而， 设样品截面半径为R ，在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R材料导热系数测试实验东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。 1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较导热系数实验报告一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．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 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 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B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （2）TC-3B型导热系数实验TC-3B型导热系数实验稳态法测量固体导热系数(TC-3B型固体导热系数测定仪) (集成温度传感器测温) 实 验 讲 义杭州精科仪器有限公司 固体导热系数的测量 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 【实验目的】 1．用稳态法测定出不良导体的导热系数，并与理论值进行比较。 2．用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定良导体导热系数存在的缺点。 12 【实验原理】 根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为2 1 T ,T 的平行平面（设2 1 T T >），若平面 面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?满足下述表达式： h )T T (S t Q 21-??λ=?? ( 1 ) 式中t Q ??为热流量，λ即为该物质的热导率（又称作导热系数）， λ 在数值上等于 相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是1 1 K m W --?? 。本实验仪器如图1所示： 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B （圆盘形的不良导体），再把带发热3 器的圆铝盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从 A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于P ,A 盘都是良 导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度1 T 、2 T ，1 T 、2 T 分别由插入P ,A 盘边缘小孔 铂电阻温度传感器E 来测量。通过变换温度传感器插入位置，即可改变铂电阻温度传感器的测量目标。由式（1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为： 2B B 21R h )T T (t Q ?π?-?λ=?? ( 2 ) 式中B R 为样品的半径，B h 为样品的厚度，当热 传导达到稳定状态时，1 T 和2 T 的值不变，于是通 过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定 温度2 T 时的散热速率来求出热流量t Q ?? 。实验中，在读得稳态时的1 T 和2 T 后，即可将B 盘移去， 而使发热铝盘A 的底面与散热铜盘P 直接接触。当盘P 的温度上升到高于稳态时的2 T 值若干摄 氏度后，再将发热铝盘A 移开，让散热铜盘P 自导热系数实验报告一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．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 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 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B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （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电加热，可以设定加热盘的温度。导热系数实验报告用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤（公用）、杜瓦瓶、 秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相 距为 h 、温度分别为O K 6：的平行平面（设0/5）,若平面面积均为S,在△『时 间内通过面积S 的热量A0免租下述表达式： △0 一胭 ?一 2) A/ h (3-26-1) & & & 丙1 T7T\ *TV T*?r?*7 TT m R式中，普为热流量；2即为该物质的导热系数，兄在数值上等于相距单位长度的 两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是 W/（加?K ）。 在支架上先放上圆铜盘P,在P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜 盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都 是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度X 、02, Ox. 02分别插入A 、 P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中， 通过“传感器切换”开关G,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。 由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 咚=久?_&2）凤 （3-26-2） 式中，弘为样品的半径，矗为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，X 和5的 值不变，遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等， 因此，可通过铜盘P 在稳定温度匚的散热速率来求出热流量昱。实验中，在读得 稳定时0】和匹后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的0：值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。 观察其温度0随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在0：的冷却速率竺 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同 对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具 体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热, 样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢 和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程 达到平衡状态，则 ，而 △ & me —— ,就是铜盘P 在温度为0 2时的散热速率。固体导热系数的测定实验报告学生物理实验报告 实验名称固体导热系数的测定 学院专业班级报告人学号 同组人学号 理论课任课教师 实验课指导教师 实验日期 报告日期 实验成绩 批改日期1.数字毫伏表 一般量程为20mV。3位半的LED显示,分辨率为10uV左右,具有极性自动转换功能。 2.导热系数测量仪 一种测量导热系数的仪器,可用稳态发测量不良导体,金属气体的导热系数, 散热盘参数傅里叶在研究了固体的热传定律后,建立了导热定律。她指出,当物体的内部有温度梯度存在时,热量将从高温处传向低温处。如果在物体内部取两个垂直于热传导方向,彼此相距为h 的两个平面,其面积元为D,温度分别为21T T 和,则有 dt dQ =–dS dx dT λ 式中dt dQ 为导热速率,dx dT 为与面积元dS 相垂直方向的温度梯度,“—”表示热量由高温区域传向低温区域,λ即为导热系数,就是一种物性参数,表征的就是材料导热性能的优劣,其单位为W/(m ·K ),对于各项异性材料,各个方向的导热系数就是不同的,常要用张量来表示。 如图所示,A 、C 就是传热盘与散热盘,B 为样品盘,设样品盘的厚度为B h ,上下表面的面积 各为B S =2 B R π,维持上下表面有稳定的温度21T T 和,这时通过样品的导热速率为 dt dQ =–B B S h T T 21 -λ 在稳定导热条件下(21T T 和值恒定不变) 可以认为:通过待测样品B 的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等,则可 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图导热系数的测量实验报告导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。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设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 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。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： B B h T T R t Q )(212-???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。 这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，C 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热导热系数测量实验报告导热系数测量实验报告 篇一：导热系数实验报告 实验用稳态平板法测定不良导体的导热系数实验报告 一、实验目的. （1）用稳态平板法测定不良导体的导热系数. （2）利用物体的散热速率求传热速率. 二、实验器材. 实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、数字式电压表. 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）进行时，热传导的基本公式可写为 dT dQ=?λ ????????? ---------------------------------------------（） 它表示在dt时间内通过dS面积的热量dQλ为导热系数，它的大小由物体????dT 本身的物理性质决定，单位为W????1????1，它是表征物质导热性能大小的物理量，式中符号表示热量传递向着温度降低的方向进行. 在图中，B为待测物，它的上下表面分别和上下铜、铝盘接触，热量由高温铝盘通过待测物B向低温铜盘传递.若B很薄，则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量只沿着垂直待测板B的方向传递.那么在稳定导热（即温度场中各点的温度不随时间而变）的情况下，在?t时间内，通过面积为S、厚度为L的匀质圆板的热量为??? ?????? ---------------------------------------------（）式中，???为匀质圆板两板面的恒定温差，若把（）式写成 ?Q=?λ ??????=?λ?? ---------------------------------------------（）的形式，那么???便为待测物的导热速率，只要知道了导热速率，由（）式即可求出λ. 实验中，使上铝盘A和下铜盘P分别达到恒定温度??1、??2，并设??1>??2，即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热.因为??1和??2不变，所以，通过B的热量就等于C向周围散发的热量，即B的导热速率等于C 的散热速率.因此，只要求出了C在温度??2时的散热速率，就求出了B的导热速率???. 因为P的上表面和B的下表面接触，所以C的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为????，而实验中冷却曲线是C全部裸露于空气中测出来的，即在P的上下表面和侧面积都散热的情况下记录的.设其全部表面积为??全，根据散热速率与散热面积成正比的关系可得??? ?????? ???固体导热系数的测定固体导热系数的测定 实验仪器： YBF-5型导热系数测定仪（含加热盘A、散热盘P、数字电压表、计时秒表等）、测试材料（硅橡胶、胶木板）测温PT100、测试连接线、游标卡尺等。 实验原理： 热传导定律： 通过上部加热盘加热、下部散热盘散热达到稳态在材料内部维持均匀度温度梯度分布； 系统平衡时加热速率=传热速率=散热速率=冷却速率，故通过测量散热盘冷却时温度随时间的变化得到其T-t曲线，则 由此得 ①实验步骤： （1）测量测试材料及散热盘的厚度及直径； （2）在加热盘和散热盘间夹入胶木板； （3）设置加热温度为90度，加热至上下两盘温度稳定，记录此时上下两盘温度T1、T2； （4）迅速将胶木板换成硅橡胶，重复步骤（3）； （5）将散热盘加热至较高温度再使其自然冷却，测定其温度随时间的变化。 实验数据：数据处理： 查阅铜密度ρ=8930kg·m-3，比热容c=0.385kJ·K-1·kg-1。根据铜盘直径及厚度，计算出散热盘质量m=537.6g。 由T-t表绘得T-t曲线如下： 由图得到T2处的斜率： k（胶木板）=-0.0425 K/s k（硅橡胶）=-0.0426 K/s 带入①得 （胶木板）==0.427 W/(m·K) （硅橡胶）==0.279 W/(m·K) 总结与讨论： 思考题： 1.测导热系数要满足：维持材料内部均匀的温度梯度以及测得传热速率。通过上部加热盘加热、下部散热盘散热达到稳态在材料内部维持均匀度温度梯度分布；系统平衡时加热速率=传热速率=散热速率=冷却速率，故通过测量散热盘冷却时温度随时间的变化得到其T-t曲线，求其在稳态温度处的斜率即为传热速率。 2.因为只有处于稳态温度时冷却速率与传热速率相等；通过在稳态温度附近使铜板自然然冷却绘制T-t曲线，取其在稳态温度处的斜率作为冷却速度。 3.测试材料具有一定侧面积，因而达到稳态时有少量热量从侧面散失，则上下铜盘的温度差略小于材料实际散失的热量，即（T1-T2）偏小，故计算所得导热系数可能偏小。材料导热系数测试实验材料导热系数测试实验内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他 们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域， 在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差 而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技 术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声 子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。 3）成分和晶体结构 合金中加入杂质元素将提高热阻，使导热系数降低。杂志原子与基体金属的结构差异较大的元素，对基体导热系数的影响也较大。 4）压强，密度，气孔率等 压强，密度，气孔率等因素也会对材料的导热系数产生影响，影响材料导热系数的因素是复杂的。 4.导热系数的测试方法固体导热系数的测定实验论文2015-2016学年上学期《大学物理实验》论文： 固体导热系数的测定 姓名： 学号： 学院： 专业： 完成日期：摘要： 导热系数是表征物质热传导性质的物理量，对保温材料要求其导热系数尽量小，对散热材料要求其导热系数尽量大。由于导热系数与物质成分、微观结构、温度、压力及杂质含量密切相关，所以在科学实验和工程设计中材料的导热系数常常需要由实验具体测定。 关键字：固体导热系数、稳态法、散热速率、傅里叶方程 引言： 固体导热系数的测量是其大学物理实验中的基础实验，测量导热系数的实验方法一般分为稳态法与动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温处向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数，使加热和传热过程达到平衡状态时，待测样品内部就能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度也受实验条件和加热快慢的影响。本实验将利用稳态法测量橡胶盘的导热系数。 1. 实验仪器 FD-TC-II 型导热系数测定仪、数字电压表、热电偶、制冷仪、游标卡尺、夹子、计时表等。 2. 实验原理 当温度不同的两物体接触或一个物体内部各处温度不均匀时就会发生热传导现象。1882年法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶给出了热传导的基本公式（傅里叶方程） dSdt dx dT k dQ )( -= ——公式1式中，dQ 表示在dt 时间内通过dS 面元传递的热量，dx dT 是沿dS 面元法线外的 温度梯度，k 为物质的导热系数。负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。 一块半径为R ，厚度为h ，面积为S 的圆柱形橡胶盘。若维持其上下表面为恒定的温度1T 和2T （1T >2T ），侧面绝热，根据公式1，则在t ?时间内沿S 法线方向从上向下传递的热量为： t S h T T k Q ?-=?2 1 ——公式 2 由此可得材料的导热系数： t Q T T S h k ??? -= )(21 ——公式3 式中，t Q ??为橡胶盘沿S 法线方向的传热速率。橡胶盘的h ，S 及上下表面温度1T 和2T 容易测出，问题的关键时测定t Q ??。因为稳定导热时，样品的传热速率和散热 速率是相等的，故在实验中增加一个紧贴橡胶盘的散热盘，其在稳定导热时的 散热速率即为t Q ??。 稳定法测定导热系数实验装置，三个螺旋头支撑着一个同散热盘，其上放置一个待测橡胶盘，橡胶盘上安放一发热盘，实验时发热盘直接将热量通过橡胶盘上表面传入橡胶盘，散热盘及风扇有效稳定地散热，使传入橡胶盘的热量不断从橡胶盘的下表面散出。由于发热盘与散热盘为良导体，且发热盘的下表面、散热盘的上表面与橡胶盘的上下表面密切贴合，故可以认为橡胶盘上下表面的温度分别于发热盘、散热盘的温度相同。当传入橡胶盘的热量等于它散出的热量时，样品处于稳定导热状态，这时发热盘与散热盘的温度为定值（1T 和2T ）。 测出稳定导热时的1T 和2T ，然后抽出橡胶盘，让发热盘的底面与散热盘直接接触，使散热盘的温度上升20℃左右，移去加热盘，将橡胶盘覆盖在散热盘上，用准稳态法测介质的导热系数和比热的实验报告用准稳态法测介质的导热系数和比热 热传导是热传递三种基本方式之一。导热系数定义为单位温度梯度下每单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W / (m ? K)。它表征物体导热能力的大小。 比热是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质，在温度升高（或降低）1度时所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热,单位为J/（kg ·K ）。 测量导热系数和比热通常都用稳态法，使用稳态法要求温度和热流量均要稳定，但在实际操作中要实现这样的条件比较困难，因而会导致测量的重复性、稳定性、一致性较差，误差也较大。为了克服稳态法测量的这些弊端，本实验使用了一种新的测量方法——准稳态法，使用准稳态法只要求温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到导热系数和比热。 【实验目的】 1. 了解准稳态法测量导热系数和比热的原理； 2. 学习热电偶测量温度的原理和使用方法； 3. 用准稳态法测量不良导体的导热系数和比热。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR 型准稳态法比热、导热系数测定仪 2. 实验装置一个，实验样品两套（橡胶和有机玻璃，每套四块），加热板两块，热电偶两只，导线若干，保温杯一个 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图B2－１所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为R 2，初始温度为0t ，现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度c q ，则平板各处的温度),(τx t 将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表达如下： ???? ???? ?==??=????=??02 2)0,(0),0(),(),(),(t x t x t q x R t x x t a x t c τλτττ τ 式中c a ρλ/=，λ为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c 为材料的比热。 可以给出此方程的解为（参见附录）： )cos )1(2621(),(2212 1 220τ ππ πτλτR an n n c e x R n n R R x R R a q t x t - ∞ =+?∑ -+-++= （B2－１） 考察),(τx t 的解析式（B2－１）可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而逐渐变小，直至所占份额可以忽略不计。 定量分析表明，当5.02 >R a τ以后，上述级数求和项可以忽略。这时式（B2－１）可简写成： 图B2－1理想的无限大不良导体平板不良导体导热系数的测定实验报告-不良导体实验报告非金属固体材料导热系数的测量 2004/04 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其 附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述] 由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：r r r t ??+??=??θθθα1122 （1） 边界条件为： 00 =r θ(t =0，r ≥0)，0=∞r θ(t >0，r =)，const.π0=??-==r r q θλ(t >0，r =0)[3] （2） 根据热传导方程和边界条件得到解为：t t e q t t r r t d π4042 ?-=αλθ （3） 其中各物理量含义为，t ：热线的加热时间，单位为s ；r ：距热线的距离，单位为m ；q ：热线单位长度的加热功率，单位为W/m ；t r θ：加热时间t ，距离热线距离r 处的温升，单位为K ； α：试样的热扩散率，单位为m 2/s ；λ：试样的导热系数，单位为W/（m ·K ），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m ·K ）。 假设t r α42 →0，即r →0或αt →∞，利用Euler 公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果在不同时间t 1、t 2，测的同一点r 处的温升为1t r θ、2t r θ，则：12ln π412t t q t t r r λθθ=- （4） 根据（4）可以得到试样的导热系数 ()()12121212ln πL 4ln π4t t t t r r r r t t IU t t q θθθθλ-=-= [4] （5） （5）式中，I 、U 分别热线的通电电流（单位为A ）和电压（单位为V ），L 为有效加热长度（单位为m ）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t 2/t 1)和1 2t t r r θθ-呈线性关系，据此计算试样的导热系数。 [实验设计] 图1、热线法测定非金属固体材料导热系数的原理示意图 试样 热线材料导热系数测定材料导热系数的测定 一、适用专业和课程 安全工程、工业工程 实验学时：2 二、本实验的目的 1. 加深对稳定导热过程基本理论的理解。 2. 掌握用球壁导热仪测定绝热材料导热系数的方法 ── 圆球法。 3. 确定材料导热系数与温度的关系。 4. 学会根据材料的导热系数判断其导热能力并进行导热计算。 三、实验原理 不同材料的导热系数相差很大，一般说，金属的导热系数在 2.3～417.6 W/m ·℃范围内，建筑材料的导热系数在0.16～2.2 W/m ·℃之间，液体的导热系数波动于0.093～0.7 W/m ·℃，而气体的导热系数则最小，在0.0058～0.58 W/m ·℃范围内。 即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、湿度、物质结构和密度等因素而变化。 各种材料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到，但由于具体条件如 温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。 导热系数低于0.22 W/m ·℃的一些固体材料称为绝热材料，由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热过程，其机理复杂。 为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程处理。 圆球法测定绝热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径 r 而变，故是一维稳定温度场导热。 实验时，在直径为 d1 和 d2 的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充被测材 料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为 t1 和 t2 。根据这种状态，可以推导出导热系数λ的计算公式。 根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系： （1） 式中 Q ── 单位时间内通过球面的热流量，W ； dr dt r dr dt A Q 24λπλ-=-=固体导热系数的测定实验报告固体导热系数的测定实验 报告 Last revision on 21 December 2020学生物理实验报告 实验名称固体导热系数的测定学院专业班级 报告人学号 同组人学号 理论课任课教师 实验课指导教师 实验日期 报告日期 实验成绩 批改日期实验原理 傅里叶在研究了固体的热传定律后，建立了导热定律。他指出，当物体的内部有温度梯度存在时，热量将从高温处传向低温处。如果在物体内部取两个垂直于热传导方向，彼此相距为h 的两个平面，其面积元为D ，温度分别为21T T 和，则有 dt dQ =–dS dx dT λ 式中dt dQ 为导热速率，dx dT 为与面积元dS 相垂直方向的温度梯度，“—”表示热量 由高温区域传向低温区域，λ即为导热系数，是一种物性参数，表征的是材料导热性能的优劣，其单位为W/(m ·K )，对于各项异性材料，各个方向的导热系数是不同的，常要用张量来表示。 如图所示，A 、C 是传热盘和散热盘，B 为样品盘，设样品盘的厚度为B h ,上下表面的面积 各为B S =2 B R π，维持上下表面有稳定的温度21T T 和，这时通过样品的导热速率为 dt dQ =–B B S h T T 21 -λ 在稳定导热条件下（21T T 和值恒定不变） 可以认为：通过待测样品B 的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等，则 可以通过铜盘C 在稳定温度2T 附近的散热速率 2 T t t Q =δδ，求出样品的导热速率 dt dQ 。 在稳定传热时，C 散热盘的外表面积πR c 2 +2πR c h c ，移去A 盘后，C 盘的散热外 表面积C C C h R R ππ222 + 因为物体的散热速率与散热面积成正比， 所以t Q h R h R t h R R h R R dt dQ C C c C c C C c c C ???++=???++?=)(22)(2)2(θππ， 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图
东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。 1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较
一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置
在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．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 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 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B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （2）
TC-3B型导热系数实验
稳态法测量固体导热系数(TC-3B型固体导热系数测定仪) (集成温度传感器测温) 实 验 讲 义
杭州精科仪器有限公司 固体导热系数的测量 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 【实验目的】 1．用稳态法测定出不良导体的导热系数，并与理论值进行比较。 2．用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定良导体导热系数存在的缺点。 1
2 【实验原理】 根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为2 1 T ,T 的平行平面（设2 1 T T >），若平面 面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?满足下述表达式： h )T T (S t Q 21-??λ=?? ( 1 ) 式中t Q ??为热流量，λ即为该物质的热导率（又称作导热系数）， λ 在数值上等于 相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是1 1 K m W --?? 。本实验仪器如图1所示： 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B （圆盘形的不良导体），再把带发热
3 器的圆铝盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从 A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于P ,A 盘都是良 导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度1 T 、2 T ，1 T 、2 T 分别由插入P ,A 盘边缘小孔 铂电阻温度传感器E 来测量。通过变换温度传感器插入位置，即可改变铂电阻温度传感器的测量目标。由式（1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为： 2B B 21R h )T T (t Q ?π?-?λ=?? ( 2 ) 式中B R 为样品的半径，B h 为样品的厚度，当热 传导达到稳定状态时，1 T 和2 T 的值不变，于是通 过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定 温度2 T 时的散热速率来求出热流量t Q ?? 。实验中，在读得稳态时的1 T 和2 T 后，即可将B 盘移去， 而使发热铝盘A 的底面与散热铜盘P 直接接触。当盘P 的温度上升到高于稳态时的2 T 值若干摄 氏度后，再将发热铝盘A 移开，让散热铜盘P 自
一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置
2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．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 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 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B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （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电加热，可以设定加热盘的温度。
用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤（公用）、杜瓦瓶、 秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相 距为 h 、温度分别为O K 6：的平行平面（设0/5）,若平面面积均为S,在△『时 间内通过面积S 的热量A0免租下述表达式： △0 一胭 ?一 2) A/ h (3-26-1) & & & 丙1 T7T\ *TV T*?r?*7 TT m R
式中，普为热流量；2即为该物质的导热系数，兄在数值上等于相距单位长度的 两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是 W/（加?K ）。 在支架上先放上圆铜盘P,在P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜 盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都 是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度X 、02, Ox. 02分别插入A 、 P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中， 通过“传感器切换”开关G,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。 由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 咚=久?_&2）凤 （3-26-2） 式中，弘为样品的半径，矗为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，X 和5的 值不变，遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等， 因此，可通过铜盘P 在稳定温度匚的散热速率来求出热流量昱。实验中，在读得 稳定时0】和匹后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的0：值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。 观察其温度0随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在0：的冷却速率竺 2、不良导体（橡皮）的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同 对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具 体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热, 样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢 和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程 达到平衡状态，则 ，而 △ & me —— ,就是铜盘P 在温度为0 2时的散热速率。
学生物理实验报告 实验名称固体导热系数的测定 学院专业班级报告人学号 同组人学号 理论课任课教师 实验课指导教师 实验日期 报告日期 实验成绩 批改日期
1.数字毫伏表 一般量程为20mV。3位半的LED显示,分辨率为10uV左右,具有极性自动转换功能。 2.导热系数测量仪 一种测量导热系数的仪器,可用稳态发测量不良导体,金属气体的导热系数, 散热盘参数
傅里叶在研究了固体的热传定律后,建立了导热定律。她指出,当物体的内部有温度梯度存在时,热量将从高温处传向低温处。如果在物体内部取两个垂直于热传导方向,彼此相距为h 的两个平面,其面积元为D,温度分别为21T T 和,则有 dt dQ =–dS dx dT λ 式中dt dQ 为导热速率,dx dT 为与面积元dS 相垂直方向的温度梯度,“—”表示热量由高温区域传向低温区域,λ即为导热系数,就是一种物性参数,表征的就是材料导热性能的优劣,其单位为W/(m ·K ),对于各项异性材料,各个方向的导热系数就是不同的,常要用张量来表示。 如图所示,A 、C 就是传热盘与散热盘,B 为样品盘,设样品盘的厚度为B h ,上下表面的面积 各为B S =2 B R π,维持上下表面有稳定的温度21T T 和,这时通过样品的导热速率为 dt dQ =–B B S h T T 21 -λ 在稳定导热条件下(21T T 和值恒定不变) 可以认为:通过待测样品B 的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等,则可 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图
导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。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设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 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。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： B B h T T R t Q )(212-???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。 这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，C 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。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
导热系数测量实验报告 篇一：导热系数实验报告 实验用稳态平板法测定不良导体的导热系数实验报告 一、实验目的. （1）用稳态平板法测定不良导体的导热系数. （2）利用物体的散热速率求传热速率. 二、实验器材. 实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、数字式电压表. 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）进行时，热传导的基本公式可写为 dT dQ=?λ ????????? ---------------------------------------------（） 它表示在dt时间内通过dS面积的
热量dQλ为导热系数，它的大小由物体????dT 本身的物理性质决定，单位为W????1????1，它是表征物质导热性能大小的物理量，式中符号表示热量传递向着温度降低的方向进行. 在图中，B为待测物，它的上下表面分别和上下铜、铝盘接触，热量由高温铝盘通过待测物B向低温铜盘传递.若B很薄，则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量只沿着垂直待测板B的方向传递.那么在稳定导热（即温度场中各点的温度不随时间而变）的情况下，在?t时间内，通过面积为S、厚度为L的匀质圆板的热量为??? ?????? ---------------------------------------------（）式中，???为匀质圆板两板面的恒定温差，若把（）式写成 ?Q=?λ ??????
=?λ?? ---------------------------------------------（）的形式，那么???便为待测物的导热速率，只要知道了导热速率，由（）式即可求出λ. 实验中，使上铝盘A和下铜盘P分别达到恒定温度??1、??2，并设??1>??2，即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热.因为??1和??2不变，所以，通过B的热量就等于C向周围散发的热量，即B的导热速率等于C 的散热速率.因此，只要求出了C在温度??2时的散热速率，就求出了B的导热速率???. 因为P的上表面和B的下表面接触，所以C的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为????，而实验中冷却曲线是C全部裸露于空气中测出来的，即在P的上下表面和侧面积都散热的情况下记录的.设其全部表面积为??全，根据散热速率与散热面积成正比的关系可得??? ?????? ???
固体导热系数的测定 实验仪器： YBF-5型导热系数测定仪（含加热盘A、散热盘P、数字电压表、计时秒表等）、测试材料（硅橡胶、胶木板）测温PT100、测试连接线、游标卡尺等。 实验原理： 热传导定律： 通过上部加热盘加热、下部散热盘散热达到稳态在材料内部维持均匀度温度梯度分布； 系统平衡时加热速率=传热速率=散热速率=冷却速率，故通过测量散热盘冷却时温度随时间的变化得到其T-t曲线，则 由此得 ①实验步骤： （1）测量测试材料及散热盘的厚度及直径； （2）在加热盘和散热盘间夹入胶木板； （3）设置加热温度为90度，加热至上下两盘温度稳定，记录此时上下两盘温度T1、T2； （4）迅速将胶木板换成硅橡胶，重复步骤（3）； （5）将散热盘加热至较高温度再使其自然冷却，测定其温度随时间的变化。 实验数据：
数据处理： 查阅铜密度ρ=8930kg·m-3，比热容c=0.385kJ·K-1·kg-1。根据铜盘直径及厚度，计算出散热盘质量m=537.6g。 由T-t表绘得T-t曲线如下： 由图得到T2处的斜率： k（胶木板）=-0.0425 K/s k（硅橡胶）=-0.0426 K/s 带入①得 （胶木板）==0.427 W/(m·K) （硅橡胶）==0.279 W/(m·K) 总结与讨论： 思考题： 1.测导热系数要满足：维持材料内部均匀的温度梯度以及测得传热速率。通过上部加
热盘加热、下部散热盘散热达到稳态在材料内部维持均匀度温度梯度分布；系统平衡时加热速率=传热速率=散热速率=冷却速率，故通过测量散热盘冷却时温度随时间的变化得到其T-t曲线，求其在稳态温度处的斜率即为传热速率。 2.因为只有处于稳态温度时冷却速率与传热速率相等；通过在稳态温度附近使铜板自然然冷却绘制T-t曲线，取其在稳态温度处的斜率作为冷却速度。 3.测试材料具有一定侧面积，因而达到稳态时有少量热量从侧面散失，则上下铜盘的温度差略小于材料实际散失的热量，即（T1-T2）偏小，故计算所得导热系数可能偏小。
材料导热系数测试实验内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他 们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域， 在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差 而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技 术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声 子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。
1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。 3）成分和晶体结构 合金中加入杂质元素将提高热阻，使导热系数降低。杂志原子与基体金属的结构差异较大的元素，对基体导热系数的影响也较大。 4）压强，密度，气孔率等 压强，密度，气孔率等因素也会对材料的导热系数产生影响，影响材料导热系数的因素是复杂的。 4.导热系数的测试方法
2015-2016学年上学期《大学物理实验》论文： 固体导热系数的测定 姓名： 学号： 学院： 专业： 完成日期：
摘要： 导热系数是表征物质热传导性质的物理量，对保温材料要求其导热系数尽量小，对散热材料要求其导热系数尽量大。由于导热系数与物质成分、微观结构、温度、压力及杂质含量密切相关，所以在科学实验和工程设计中材料的导热系数常常需要由实验具体测定。 关键字：固体导热系数、稳态法、散热速率、傅里叶方程 引言： 固体导热系数的测量是其大学物理实验中的基础实验，测量导热系数的实验方法一般分为稳态法与动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温处向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数，使加热和传热过程达到平衡状态时，待测样品内部就能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度也受实验条件和加热快慢的影响。本实验将利用稳态法测量橡胶盘的导热系数。 1. 实验仪器 FD-TC-II 型导热系数测定仪、数字电压表、热电偶、制冷仪、游标卡尺、夹子、计时表等。 2. 实验原理 当温度不同的两物体接触或一个物体内部各处温度不均匀时就会发生热传导现象。1882年法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶给出了热传导的基本公式（傅里叶方程） dSdt dx dT k dQ )( -= ——公式1
式中，dQ 表示在dt 时间内通过dS 面元传递的热量，dx dT 是沿dS 面元法线外的 温度梯度，k 为物质的导热系数。负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。 一块半径为R ，厚度为h ，面积为S 的圆柱形橡胶盘。若维持其上下表面为恒定的温度1T 和2T （1T >2T ），侧面绝热，根据公式1，则在t ?时间内沿S 法线方向从上向下传递的热量为： t S h T T k Q ?-=?2 1 ——公式 2 由此可得材料的导热系数： t Q T T S h k ??? -= )(21 ——公式3 式中，t Q ??为橡胶盘沿S 法线方向的传热速率。橡胶盘的h ，S 及上下表面温度1T 和2T 容易测出，问题的关键时测定t Q ??。因为稳定导热时，样品的传热速率和散热 速率是相等的，故在实验中增加一个紧贴橡胶盘的散热盘，其在稳定导热时的 散热速率即为t Q ??。 稳定法测定导热系数实验装置，三个螺旋头支撑着一个同散热盘，其上放置一个待测橡胶盘，橡胶盘上安放一发热盘，实验时发热盘直接将热量通过橡胶盘上表面传入橡胶盘，散热盘及风扇有效稳定地散热，使传入橡胶盘的热量不断从橡胶盘的下表面散出。由于发热盘与散热盘为良导体，且发热盘的下表面、散热盘的上表面与橡胶盘的上下表面密切贴合，故可以认为橡胶盘上下表面的温度分别于发热盘、散热盘的温度相同。当传入橡胶盘的热量等于它散出的热量时，样品处于稳定导热状态，这时发热盘与散热盘的温度为定值（1T 和2T ）。 测出稳定导热时的1T 和2T ，然后抽出橡胶盘，让发热盘的底面与散热盘直接接触，使散热盘的温度上升20℃左右，移去加热盘，将橡胶盘覆盖在散热盘上，
用准稳态法测介质的导热系数和比热 热传导是热传递三种基本方式之一。导热系数定义为单位温度梯度下每单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W / (m ? K)。它表征物体导热能力的大小。 比热是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质，在温度升高（或降低）1度时所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热,单位为J/（kg ·K ）。 测量导热系数和比热通常都用稳态法，使用稳态法要求温度和热流量均要稳定，但在实际操作中要实现这样的条件比较困难，因而会导致测量的重复性、稳定性、一致性较差，误差也较大。为了克服稳态法测量的这些弊端，本实验使用了一种新的测量方法——准稳态法，使用准稳态法只要求温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到导热系数和比热。 【实验目的】 1. 了解准稳态法测量导热系数和比热的原理； 2. 学习热电偶测量温度的原理和使用方法； 3. 用准稳态法测量不良导体的导热系数和比热。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR 型准稳态法比热、导热系数测定仪 2. 实验装置一个，实验样品两套（橡胶和有机玻璃，每套四块），加热板两块，热电偶两只，导线若干，保温杯一个 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图B2－１所示的一维无限大导热模型：一无限大不良导体平板厚度为R 2，初始温度为0t ，现在平板两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度c q ，则平板各处的温度),(τx t 将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表达如下： ???? ???? ?==??=????=??02 2)0,(0),0(),(),(),(t x t x t q x R t x x t a x t c τλτττ τ 式中c a ρλ/=，λ为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c 为材料的比热。 可以给出此方程的解为（参见附录）： )cos )1(2621(),(2212 1 220τ ππ πτλτR an n n c e x R n n R R x R R a q t x t - ∞ =+?∑ -+-++= （B2－１） 考察),(τx t 的解析式（B2－１）可以看到，随加热时间的增加，样品各处的温度将发生变化，而且我们注意到式中的级数求和项由于指数衰减的原因，会随加热时间的增加而逐渐变小，直至所占份额可以忽略不计。 定量分析表明，当5.02 >R a τ以后，上述级数求和项可以忽略。这时式（B2－１）可简写成： 图B2－1理想的无限大不良导体平板
非金属固体材料导热系数的测量 2004/04 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其 附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述] 由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：r r r t ??+??=??θθθα1122 （1） 边界条件为： 00 =r θ(t =0，r ≥0)，0=∞r θ(t >0，r =)，const.π0=??-==r r q θλ(t >0，r =0)[3] （2） 根据热传导方程和边界条件得到解为：t t e q t t r r t d π4042 ?-=αλθ （3） 其中各物理量含义为，t ：热线的加热时间，单位为s ；r ：距热线的距离，单位为m ；q ：热线单位长度的加热功率，单位为W/m ；t r θ：加热时间t ，距离热线距离r 处的温升，单位为K ； α：试样的热扩散率，单位为m 2/s ；λ：试样的导热系数，单位为W/（m ·K ），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m ·K ）。 假设t r α42 →0，即r →0或αt →∞，利用Euler 公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果在不同时间t 1、t 2，测的同一点r 处的温升为1t r θ、2t r θ，则：12ln π412t t q t t r r λθθ=- （4） 根据（4）可以得到试样的导热系数 ()()12121212ln πL 4ln π4t t t t r r r r t t IU t t q θθθθλ-=-= [4] （5） （5）式中，I 、U 分别热线的通电电流（单位为A ）和电压（单位为V ），L 为有效加热长度（单位为m ）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t 2/t 1)和1 2t t r r θθ-呈线性关系，据此计算试样的导热系数。 [实验设计] 图1、热线法测定非金属固体材料导热系数的原理示意图 试样 热线
材料导热系数的测定 一、适用专业和课程 安全工程、工业工程 实验学时：2 二、本实验的目的 1. 加深对稳定导热过程基本理论的理解。 2. 掌握用球壁导热仪测定绝热材料导热系数的方法 ── 圆球法。 3. 确定材料导热系数与温度的关系。 4. 学会根据材料的导热系数判断其导热能力并进行导热计算。 三、实验原理 不同材料的导热系数相差很大，一般说，金属的导热系数在 2.3～417.6 W/m ·℃范围内，建筑材料的导热系数在0.16～2.2 W/m ·℃之间，液体的导热系数波动于0.093～0.7 W/m ·℃，而气体的导热系数则最小，在0.0058～0.58 W/m ·℃范围内。 即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、湿度、物质结构和密度等因素而变化。 各种材料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到，但由于具体条件如 温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。 导热系数低于0.22 W/m ·℃的一些固体材料称为绝热材料，由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热过程，其机理复杂。 为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程处理。 圆球法测定绝热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径 r 而变，故是一维稳定温度场导热。 实验时，在直径为 d1 和 d2 的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充被测材 料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为 t1 和 t2 。根据这种状态，可以推导出导热系数λ的计算公式。 根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系： （1） 式中 Q ── 单位时间内通过球面的热流量，W ； dr dt r dr dt A Q 24λπλ-=-=
固体导热系数的测定实验 报告 Last revision on 21 December 2020
学生物理实验报告 实验名称固体导热系数的测定学院专业班级 报告人学号 同组人学号 理论课任课教师 实验课指导教师 实验日期 报告日期 实验成绩 批改日期
实验原理 傅里叶在研究了固体的热传定律后，建立了导热定律。他指出，当物体的内部有温度梯度存在时，热量将从高温处传向低温处。如果在物体内部取两个垂直于热传导方向，彼此相距为h 的两个平面，其面积元为D ，温度分别为21T T 和，则有 dt dQ =–dS dx dT λ 式中dt dQ 为导热速率，dx dT 为与面积元dS 相垂直方向的温度梯度，“—”表示热量 由高温区域传向低温区域，λ即为导热系数，是一种物性参数，表征的是材料导热性能的优劣，其单位为W/(m ·K )，对于各项异性材料，各个方向的导热系数是不同的，常要用张量来表示。 如图所示，A 、C 是传热盘和散热盘，B 为样品盘，设样品盘的厚度为B h ,上下表面的面积 各为B S =2 B R π，维持上下表面有稳定的温度21T T 和，这时通过样品的导热速率为 dt dQ =–B B S h T T 21 -λ 在稳定导热条件下（21T T 和值恒定不变） 可以认为：通过待测样品B 的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等，则 可以通过铜盘C 在稳定温度2T 附近的散热速率 2 T t t Q =δδ，求出样品的导热速率 dt dQ 。 在稳定传热时，C 散热盘的外表面积πR c 2 +2πR c h c ，移去A 盘后，C 盘的散热外 表面积C C C h R R ππ222 + 因为物体的散热速率与散热面积成正比， 所以t Q h R h R t h R R h R R dt dQ C C c C c C C c c C ???++=???++?=)(22)(2)2(θππ， 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图
