稳态法测固体的导热系数

Q m•c • T
t C散热
t
•
π • RC2 2π • RC • hC 2π • RC2 2π • RC • hC
（4）
由（1）、（2）、（4）式得导热系数：
m
•c
•
T t
•
RC 2RC
2hC • hB 2hC • T1
T2
•
1 • RB2
实验仪器 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪
散 热 片
泡沫隔热板
一般说来，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。根据国标GB4272—92规定，平均温 度不高于350C 时导热系数不大于0.12W/(m•K)的材料才能称为保温 材料。导热系数小3于104 W/(m • K) 的材料称为超级保温材料。
测量导热系数的方法分稳态法和非稳态法两大类
傅里叶
q grad(T )
此即傅里叶热传Βιβλιοθήκη Baidu定律， 是导热系数又
称热导率，是表征物体传导热能力的物理
量， 在数值上等于每单位长度温度降低 一
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 )。
某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类 密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力 、湿度及杂质含量相联系。在科学实验和工程设 计中，需要了解所用物体的一些热物理性质，导 热系数就是重要指标之一，常常需要用实验的方 法来精确测定。
实验目的
1．了解热传导现象的物理过程。 2．了解物体散热速率和传热速率的关系。 3．学会用铂电阻型传感器测定温度。 4．学习一种测量材料导热系数的实验方法。
实验原理
热传导达到稳定状态时 根据傅里叶热传导定律 有：
Q
• S • (T1 T2 ) （1）
t B稳态
hB
导热系数实验装置示意图
稳态时:传入的热量等于散出的热量 样品盘B的传热速率等于散热盘C的散热速率
• 4．再按设定键SET 1次，设定工作 完成。如需要改变温度设置，只要 重复以上步骤就可。
测试架
样品盘 环氧树脂盘
实验内容及步骤
1、测量样品盘B和散热盘C的直径、厚度
用游标卡尺，分别在不同位置测五组。
m 刻在铜盘上，记录下来。
2．安装待测样品：在支架上先放上散热圆铜盘C，再在C 的上面放上待测样品盘B，然后再把带发热器的圆铝盘A放 在盘B上，再调节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与 发热铝盘A和散热铜盘C密切接触。 3.置放温度传感器：将两个铂电阻测温传感器分别插入发 热铝盘A（上盘）和散热铜盘C（下盘）上的小孔中。 4.打开仪表电源开关，记录两传感器的初始温度。 5．设置加温上限温度为60℃ 。
注意事项
1．实验操作过程中，要注意防止高温烫伤； 2．测温传感器插到孔洞底部，使之保证良好接触； 3．实验前，要标定一下两测温传感器，若不一致，
要进行修正； 4．测量稳态温度和冷却速率过程中，要注意保持
一样的环境条件； 5. 实验之后，整理好仪器设备，桌面清洁，凳子
归位，仪器摆放与来时一样。
6．测量稳态温度：打开加热开关，每隔2分钟记下散 热铜盘C的温度，当发热铝盘A、散热铜盘C的温度不 再上升时（大约需要加热40分钟左右），说明系统已 达到稳态，这时每隔 5 分钟测量并记录T1和T2的值， 测5组。
7.散热速率的测量：在读得稳态时的T1、T2后，即可 将 B 盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 C 直接接触。当 C盘的温度上升到高于稳态时的T2值若 干摄氏度（例如3℃左右）后，再将发热铝盘 A 移开， 关掉加热开关，让散热铜盘 C在空气中自然冷却。记 录其温度T随时间t降低的数据（每30秒记录一次）， 记到T2以下至少有十个数据。由此可以计算出C盘的 散热速率 。
Q
Q
（2）
t B稳态 t C散热
物体的散热速率与冷却速率之间的关系
Q
mc T
t C散热
t
（3）
单独测量
m 是散热黄铜的质量，c 是黄铜的比热容。
考虑到散热盘C的上表面是被样品盘B覆盖着， 通过样品盘B的热流量应和散热黄铜盘C向侧面 和下面的散热速率相同，修正（3）式，即有：
数据处理
1. 自己设计表格，记录数据。
2 . 用作图法绘出T—t关系图。
3. 4.
选择T2附近10组数据， 用逐差法计算散热盘冷却速率
计算待测样品的导热系数。
T t
。
5. 计算不确定度U ，并给出结果表达。 U
说明：（长度、质量测量误差忽略，本实验只考虑冷却速率的
误差）
6．回答预备问题。
7. 分析误差来源。
热传导现象广泛存在，如房屋的墙壁时刻 进行热传导过程，水杯壁、衣服、锅炉、过热 器、冷凝器，热力管道，航天器隔热瓦、电子 芯片散热片等等都存在热传导现象。
法国科学家傅里叶根据实验得
到热传导基本关系，1822年提出了热传导 基本定律 ，指出导热热流密度（单位时间
通过单位面积的热量）和温度梯度成正比 关系。数学表达式为：
稳态法是先用热源对待测样品进行加热，并在样品内 部形成稳定的温度分布，然后进行测量。
非稳态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时 间是变化的，测出这种变化，得到热扩散率再利用 物体已知的密度和比热，求得导热系数。
测量导热系数方法很多，没有哪一种测量方法适用 于所有的情形，对于特定的应用场合，也并非所有 方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于物 体的导热系数范围和样品特征，选择正确的测量方 法。本实验采用稳态平板法测量物体的导热系数， 该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性。
测试仪表
测试架
测试仪表
PID智能温度控制器
设定温度
• 控制器面板布置图（见图）：例如 需要设置加热温度为60℃，具体操 作步骤如下：
• 1．先按设定键SET 0.5秒，进入温 度设置。数字闪烁的位数即是可以 进行调整的位数。
• 3．按上调键或下调键确定这一位 数值，按此办法，直到各位数值符 合设定温度值。
预备问题
1.什么叫稳定导热状态（简称稳态）？ 如何判定实验达到了稳定导热状态？
2.待测样品盘是厚一点好， 还是薄一点好？为什么？
3.如何根据冷却曲线求出温度T2附近 的冷却速率？
背景介绍
热传导是热量传递的三种基本形式之一， 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。