实验讲义-稳态法测固体的导热系数-2013.9
稳态法导热系数实验报告
稳态法导热系数实验报告稳态法导热系数实验报告引言导热系数是材料传导热量的能力，对于热工学和材料科学研究具有重要意义。
稳态法是一种常用的测量导热系数的方法，通过实验测量材料的温度分布和热流量，可以得到导热系数的数值。
本实验旨在通过稳态法测量导热系数，探究不同材料的导热性能。
实验装置本实验使用的实验装置主要包括一个导热试样，两个温度计和一个加热电源。
导热试样是一个长方形的金属块，具有一定的厚度和面积。
温度计用于测量导热试样的两侧温度差，加热电源用于提供稳定的加热功率。
实验步骤1. 将导热试样放置在水平台上，并确保其两侧与温度计接触良好。
2. 将一个温度计放置在导热试样的一侧，作为加热侧的温度计。
3. 将另一个温度计放置在导热试样的另一侧，作为冷却侧的温度计。
4. 打开加热电源，设置合适的加热功率，待系统达到稳定状态。
5. 记录加热侧和冷却侧的温度，并计算温度差。
6. 根据导热试样的尺寸和温度差，计算导热系数。
实验结果与分析通过实验测量得到的温度差和导热试样的尺寸，可以计算出导热系数。
实验结果显示，不同材料的导热系数存在较大差异。
导热系数较大的材料具有较好的导热性能，而导热系数较小的材料则导热性能较差。
实验结果的差异可以归因于材料的结构和性质。
晶体结构较为紧密的材料通常具有较高的导热系数，因为结构紧密可以提高原子之间的热传导效率。
而材料中存在的缺陷和杂质会降低导热系数，因为它们会散射热传导的能量。
导热系数的测量对于材料的研究和应用具有重要意义。
在工程领域，了解材料的导热性能可以帮助工程师选择合适的材料，以提高设备的散热效果。
在材料科学领域，通过测量导热系数可以评估材料的热传导性能，进而优化材料的设计和合成。
实验误差的分析在实验过程中，存在一些误差可能会对测量结果产生影响。
首先，温度计的精度和灵敏度会对测量结果产生影响。
如果温度计的精度较低或者灵敏度不够高，可能会导致温度测量的误差。
其次，导热试样的制备和安装也会对测量结果产生影响。
稳态法测算导热系数的原理
稳态法测算导热系数的原理
稳态法是一种常用的测算导热系数（也称热传导系数）的方法，其原理基于热传导定律和热平衡原理。
根据热传导定律，热量的传导速率与物体的导热系数、传热面积和温度梯度有关。
导热系数是物质本身的特性，可以通过测量来确定。
在稳态法中，我们需要测量导热系数的样品处于稳态状态，即温度分布不随时间而变化。
这可以通过采用两个恒温源（通常称为热源和冷源），在样品两端分别提供稳定的温度，并保持温度恒定。
这样，在稳态的情况下，温度梯度将会稳定下来。
接下来，我们在样品上测量温度梯度。
通常会在样品的两侧放置多个温度传感器，并记录下每个传感器的温度值。
通过这些温度值的差异，我们可以计算出样品内的温度梯度。
最后，将测得的温度梯度、传热面积和已知的热流量（由热源提供的热量）代入热传导定律中，可以计算出导热系数。
稳态法测算导热系数的原理即基于热传导定律，在稳态状态下通过测量温度梯度和已知参数计算导热系数。
稳态法测量导热系数
稳态法测量导热系数TC—3型导热系数测定仪实验讲义杭州富阳精科仪器有限公司（原杭州富阳电表厂）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。
材料结构的变化与含杂志等因素都会对导热 数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过试验来具体测定。
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，待测样品的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。
本试验采用稳态进行测量。
【试验目的】用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。
【试验原理】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T1、T2的平行平面（设T1>T2）,若平面面积为S,在△t 时间内通过面积S 的热量△Q 满足下述表达式:Q t ∆∆=λS 12T T h- (1) 式中Qt∆∆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W 11m k --⋅⋅。
本试验仪器如图所示：图 1 稳态法测定导热系数试验组装图在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待侧样品B （圆盘形的不良导体），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 传到B 盘，在传到P 盘，由于A 、P 盘都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别由插入A 、 P 盘边缘小孔热电偶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（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Qt=λ12T T hb -πR 2B（2）公式中R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度，当然传导达到稳定状态时，T 1、T 2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度相等，因此，可通 过铜盘P 在稳定温度T 2时的散热速度来求出热流量Qt∆∆。
稳态法测固体导热系数的测量
固体导热系数的测量Measurement of thermalconductivity of solid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。
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，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。
Abstract:Material thermal conductivity is characterized by physical properties of thermal conductivity of insulation material requirements of its thermal conductivity as small as possible, on the cooling requirements of its thermal conductivity material as large as possible.Method of measuring thermal conductivity of more, but the basic method can be grouped into two categories: one is the steady state, and the other for the dynamic method.Steady-state method, first with the heat source to heat the test sample and the sample to form a stable internal temperature distribution, and then measured in the dynamic method, the temperature distribution in the sample is changing with time, for example, by cycle of change.关键词：物质热传导性质稳态法温度分布Key words: material properties of steady state heat conduction temperature distribution引言：测量导热系数的方法比较多，可以归纳为两类基本的方法，一类是稳态法，另一类为动态法。
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一、实验目的通过测定固体导热系数，了解固体热传导的基本原理与方法。
二、实验原理固体热传导可以分为三种类型：导热、对流和辐射。
其中导热是最基本的一种。
固体导热系数是指单位时间内单位面积内的热量传导率，通常用符号λ表示，单位为W/(m·K)。
导热系数的大小与材料本身的热性质有关，同时也与材料的密度、温度和压力等参数有关。
实验中采用的是稳态平板法，即利用两个平行的板来测定固体导热系数。
两个平板之间夹有待测材料，其中一个平板为加热板，另一个平板为冷却板，两个平板的表面温度分别为T1和T2，导热系数λ可由以下公式计算：λ=(Q/S)×(l/ΔT)其中，Q为单位时间内通过材料的热量，S为面积，l为材料厚度，ΔT为两个平板表面温度差。
三、实验仪器与材料1、导热实验仪2、电热源3、温度计4、测量卡尺5、实验材料四、实验步骤1、准备工作将实验仪器接上电源，进行预热。
清洗实验材料，确保表面干净。
2、测量实验材料厚度和面积使用测量卡尺测量材料的厚度和面积，记录在实验记录表中。
3、安装实验材料将实验材料夹在两个平板之间，将加热板和冷却板分别安装在两端。
4、调节温度开启电热源，调节加热板和冷却板的温度，使其达到稳态。
5、测量温度差使用温度计在加热板和冷却板的表面测量温度差，记录在实验记录表中。
6、计算导热系数根据公式计算出实验结果，记录在实验记录表中。
7、清理实验仪器和材料实验结束后，将实验仪器和材料清理干净，妥善保管。
五、实验结果通过实验测量得到的固体导热系数为3.5 W/(m·K)。
六、实验结论通过本次实验，我们了解了固体导热系数的测定方法和原理。
通过测量，得出实验结果为3.5 W/(m·K)，与材料的热性质相符合。
此外，实验过程中还需要注意实验仪器和材料的清洁和保护，以保证实验结果的准确性。
实验讲义稳态法测固体的导热系数
稳态法测固体的导热系数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，其微观机制是热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。
在金属中自由电子起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
法国科学家傅里叶（J.B.J.Fourier 1786——1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解析理论》中详细的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：T grad q λ-=此即傅里叶热传导定律，其中q 为热流密度矢量（表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量），λ是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， λ在数值上等于每单位长度温度降低1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是11K m W --∙∙ 。
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。
因此，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。
测量导热系数的方法很多，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。
测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。
稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。
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。
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。
固体的导热系数的测定
3.5固体的导热系数的测定【实验目的】1.学习用稳态法测固体导热系数，了解其测量条件。
2.学习实验中如何将传热速率的测量转化为散热速率的测量方法。
3.学会用作图法处理数据。
【实验内容与步骤】1.测橡皮样品的导热系数1.1用游标卡尺测出橡皮样品的直径和厚度，多次测量求其平均值，记下散热盘的几何尺寸、质量（在盘上已标明），其中铜的比热容为10.385/()c KJ Kg K =⋅。
1.2将样品放在加热盘和散热盘之间，并使它们接触良好，两根热电偶分别插入加热盘和散热盘的小孔内，设定加热盘温度（60℃左右），采用自动控温对样品进行加热，待系统达到稳定导热状态，测样品上下表面的温度1ε、2ε，多次测量求平均值。
1.3移去样品，用加热盘直接对散热盘加热，待散热盘温度高于2ε若干（0.1mV ）后，移去加热盘，让散热盘在环境中自然冷却，每隔半分钟记录一次散热盘的温度，做出冷却曲线，求出2d dt εε⎛⎫ ⎪⎝⎭。
1.4计算橡皮样品的导热系数，并分析误差产生的原因。
2.测硬铝样品的导热系数2.1用游标卡尺测硬铝样品的直径和厚度，多次测量求其平均值。
2.2将硬铝样品侧面绝热，样品的上下表面周围分别套一个绝热圆环，放在加热盘和绝热盘之间，两根热电偶分别插入硬铝样品上下表面的小孔内，设定加热盘温度，采用自动控温对样品加热，待样品达到稳定导热状态，记下样品上下表面的温度1ε、2ε，然后将其中一个热电偶插入散热盘的小孔内，测出散热盘的温度3ε。
2.3移去样品，用加热盘直接对散热盘加热，待散热盘温度高出3ε若干，移去加热盘，让散热盘在环境中自然冷却，测出散热盘温度随时间的变化，作出冷却曲线，求出3d dt εε⎛⎫ ⎪⎝⎭，计算硬铝样品的导热系数。
【数据记录与处理】 表1 测橡皮样品的导热系数表2散热盘数据及冷却速率m = g ；=1R mm ；1h =mm作出ε-t 关系图，由图中2εε=点切线斜率求出2εεε=⎪⎭⎫⎝⎛dt d 并求出橡皮样品的导热系数。
稳态法测量导热系数
稳态法测量导热系数TC—3型导热系数测定仪实验讲义杭州富阳精科仪器有限公司（原杭州富阳电表厂）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。
材料结构的变化与含杂志等因素都会对导热 数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过试验来具体测定。
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，待测样品的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。
本试验采用稳态进行测量。
【试验目的】用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。
【试验原理】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T1、T2的平行平面（设T1>T2）,若平面面积为S,在△t 时间内通过面积S 的热量△Q 满足下述表达式:Q t ∆∆=λS 12T T h- (1) 式中Qt∆∆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W 11m k --⋅⋅。
本试验仪器如图所示：图 1 稳态法测定导热系数试验组装图在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待侧样品B （圆盘形的不良导体），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 传到B 盘，在传到P 盘，由于A 、P 盘都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别由插入A 、 P 盘边缘小孔热电偶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（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Qt=λ12T T hb -πR 2B（2）公式中R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度，当然传导达到稳定状态时，T 1、T 2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度相等，因此，可通 过铜盘P 在稳定温度T 2时的散热速度来求出热流量Qt∆∆。
固体导热系数的测定实验报告
1
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3
4
5
Vt1(mV)
4.549
4.544
4.540
4.537
4.534
Vt2(mV)
3.230
3.227
3.223
3.221
3.218
时间（秒）
30
60
90
120
150
180
210
240
T2（mV）
3.726
3.657
3.601
3.547
3.494
3.442
3.391
3.341
温度
65.4
64.2
4.根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压开关K拔至高档220V，开始加热，待 =3.5mv即可将开关改用低档110V，开风扇，待上升至4.5mv左右时，关电源。通过手控调节电热板开关K，K的电压220v或110v或0v檔，使 读数变化在±0.03mv范围内。然后每隔2分钟读一次数字电压表上的相应温度示值，如此反复，如在3min内样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳态状态。将切换开关拨向测2，测出 、T2温度。
=–
式中 为导热速率， 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， 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 ,上下表面的面积
因为物体的散热速率与散热面积成正比，
所以 ，
由比热容定义 ，
稳态法测量物体的导热系数讲义
稳态法测量物体的导热系数讲义导热系数是指单位时间内单位面积的热量通过一个厚度为1米的物体，并且该物体的两侧温度差为1K时，热量传导所发生的速率。
导热系数是物体传热性质的一个重要参数，是表征物体对热量传递的抵抗程度的指标。
常见的测量导热系数的方法有两种：稳态法和瞬态法。
稳态法是指在一定的温度差下测量物体的稳态热流密度，通过测量物体的热流密度、温度差和物体的厚度等参数计算得到物体的导热系数。
稳态法主要适用于导热系数相对稳定、厚度较大的材料，如纤维板、保温材料等各种隔热材料。
测量物体导热系数的仪器主要有两部分组成：热流仪和温度测量仪。
热流仪根据热传导原理，通过一组绝热屏障将试样的一侧保持恒定温度，另一侧得到一定的热流密度。
热流仪要求在保持一定的温度差下，使试样表面温度与环境温度之间的温度差足够小，以保证得到的热流密度稳定可靠，同时试样表面的辐射热损失要被控制在较小范围内。
温度测量仪通常选择高精度的热电偶，通过将热电偶嵌入试样内部，得到试样不同位置的温度分布情况。
为了保证测量准确性，热电偶的校正和补偿工作必须遵循严格的操作流程和规范。
测量物体导热系数的关键在于对样品的处理和操作过程的严格控制。
以下是基本的测量流程：1.准备样品：样品的尺寸和形状必须符合要求，保证试样表面平整，材质的导热系数必须呈线性变化，不存在孔洞等质量问题。
2.安装样品：用夹具牢固地固定好试样，并在试样的两侧，放置好热流仪和温度测量仪，保证测量精度和准确性。
3.开始测量：设定好温度差和其他参数，系统开始工作，记录试样表面和内部的温度值，对测量过程进行严格的控制和监测。
4.计算导热系数：根据测得的热流密度、温度差和试样厚度等参数，计算试样的导热系数。
根据上述基本流程，可以得到一个简单的稳态法测量物体导热系数的模型。
模型中涉及到的参量有：热流密度、试样厚度、温度差、试样长度和试样面积等。
利用计算公式，可以将这些参量结合起来，得出试样的导热系数。
大学物理实验稳态法测量物体导热系数讲义
4
d B 2
式中 dc 、 hc 分别为散热铜盘的直径和厚度；
d B 、 hB 分别为橡胶盘的直径与厚度； T1 、 T2 稳态时，橡胶盘上、下表面的温度；
m铜 、c铜 分别为散热铜盘的质量和比热；
T / t 散热盘铜盘在 T2附近的冷却速率；
橡胶盘的导热系数。
三 、实验仪器
图4.2 导热系数测定仪装置图 A.加热板 B.待测样品 C.散热铜盘
导热系数，又称热导率，是反映材料传热性能的重 要参数，在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、 房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。
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。
本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测定不良导 体导热系数的方法。
一 、实验目的
1.了解热传导现象的物理过程； 2.用稳态法测定热的不良导体──橡胶的导热系数； 3.学习用温度传感器测量温度的方法。
二、 实验原理
Q S T1 T2
t
h
图4.1热传导
上式为热传导的基本公式，由法国数学家、物理学
稳态法测量物体导热系数
物理实验中心
课前十分钟预习：
1、游标卡尺的使用； 2、理解热传导的基本公式和基本规律； 3、掌握稳态法测量原理。
前言
当物体内部温度不均匀时，热量会从温度高的地方 向温度低的地方转移，这种现象称为热传导。热传导是 由物质内部分子，原子和自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热量传递现象。
hB
QC散 t
m铜c铜
T t
实验中达到稳态散热时，铜盘C 的上表面是被样品覆盖着 的，故需对 T / t 修正：
固体导热系数的测量实验报告
固体导热系数的测量实验报告一、实验目的1、了解热传导现象的基本规律，学习用稳态法测量固体的导热系数。
2、掌握热电偶测温的原理和方法，学会使用数字电压表测量温差。
3、学会对实验数据进行处理和分析，计算固体的导热系数，并分析误差来源。
二、实验原理当物体内存在温度梯度时，热量会从高温处向低温处传递，这种现象称为热传导。
对于一维稳定热传导，通过与热传导方向垂直的某一截面的热流量（单位时间内传递的热量）与该截面两侧的温度差成正比，与该截面的面积成正比，与材料的导热系数成反比，其数学表达式为：＼Q ＝ kA\frac{dT}｛dx}＼式中，＼（Q\）为热流量，＼（k\）为导热系数，＼（A\）为传热面积，＼（＼frac{dT}｛dx}＼）为温度梯度。
在本实验中，采用稳态法测量固体的导热系数。
所谓稳态，是指在传热过程中，传热物体各点的温度不随时间而变化。
将待测样品制成平板状，在其上下表面分别放置加热盘和散热盘。
加热盘通过电加热的方式提供稳定的热量，热量通过样品传递到散热盘。
当系统达到稳态时，通过加热盘的热量等于通过样品传递到散热盘的热量。
设加热盘和散热盘的温度分别为\（T_1\）和\（T_2\），它们的面积均为\（A\），样品的厚度为\（h\）。
由于在稳态时，通过样品的热流量\（Q\）等于散热盘在单位时间内散失的热量，而散热盘散失热量的速率与其冷却速率成正比，即：＼Q ＝ mc\frac{dT}｛dt}＼式中，＼（m\）为散热盘的质量，＼（c\）为散热盘的比热容，＼（＼frac{dT}｛dt}＼）为散热盘的冷却速率。
通过测量散热盘在稳态下的冷却速率，即可计算出通过样品的热流量\（Q\）。
再根据样品的尺寸和上下表面的温度差，即可计算出固体的导热系数\（k\）：＼k ＝＼frac{Qh}｛A(T_1 T_2)｝＼三、实验仪器1、导热系数测定仪：包括加热盘、散热盘、样品、热电偶、数字电压表等。
2、电子天平：用于测量散热盘的质量。
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。
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dtdQ =–dS dx dTλ式中dtdQ 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 =2B 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dtdQ=–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 2T 1220V110V导热系数测定仪测1测1 测2测2 表 风扇AB C图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置图。
指导书稳态法测固体导热系数.doc
稳态法测固体导热系数【实验目的】1、了解热传导的物理过程和热电偶的工作原理；2、掌握稳态法的测最条件和稳态法测导热系数的原理;3、用稳态法测定出不良导热体的导热系数。
【实验仪器】导热系数测定仪，如图1所示。
防尘罩图1导热系数测定仪【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I'可相距为力、温度分别为7；、T2 的平行平面（设T'f若平面血积均为S,在&时间内通过面积S的热最满足下述表达式：越*・s•旦型（1）A/ h式•!' —为热流量，2即为该物质的热导率（乂称作导热系数），2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Z。
实验仪器如图1所示，在支架上先放上圆铜盘在卩的上而放上待测样品B （圆盘形的不良导体），再把带发热器的圆铜盘/放在B上，发热器通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，山于/、P盘都⑺一厂2)ha•兀(2) 察其温度T随时间，变化情况，然后由此求出铜盘在邓冷却速率鈴“\T\tAr ArTT• R]y+2TI• R p• h pF Q TT・R；+27r・Rp・hp)(3) T=T.1(2 心+2 你)•(?；_ 笃)二•爲(4)是良导体，其温度即可以代表3盘上、下表面的温度斤、T? , 7\、7；分别由插入力、户盘边缘小孔热电偶E 来测量。
热电偶的冷端已设计了冰点温度补偿，不必再用杜瓦瓶及冰水混介物。
由式(9-1)可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截血的热流量为：式屮心为样品的半径，心为样品的厚度，当热传导达到稳定状态吋，G 和3的值不变，于是通过B盘I：表面的热流量与由铜盘尸向周围环境散热的速率相等，因此，町通过铜盘尸在稳定温度笃时的散热速率來求出热流量詈。
实验中，在读得稳定时的幷和3后，即可将/盘移去，而使盘/的底面与铜盘P直接接触。
当盘卩的温度上升到髙于稳定吋的笃值若T摄氏度后，再将圆盘/移开，让铜盘戶自然冷却。
稳态法测导热系数实验报告
稳态法测导热系数实验报告实验部分一、实验目的本实验旨在通过稳态法测量不同导热材料的热导系数，并掌握稳态法实验的基本步骤。
二、实验原理导热是热量由高温区流向低温区的物理现象，导热材料的导热性能与温度、物质的热物性等因素密切相关。
稳态法是通过固定一组温度差下的热流量，测量材料的导热系数的一种方法。
实验中，使用恒温水按一定时间间隔浸泡样品，保持样品表面温度不变，测量样品底部放热的热流。
三、实验器材和材料实验器材：导热系数仪、水槽、恒温水槽、电热水壶、电热炉、磨床、切割机、量热仪等。
实验用材料：不同材质导热材料试样、硅胶、石蜡等。
四、实验步骤1、将导热材料试样进行磨光、切割、调整大小，使大致与试样夹持器的内径相等，并与试样夹持器装配好；2、向量热仪中注入一定量的热水，开启加热装置加热水至一定温度下；3、在恒温水槽中浸泡待测样品至达到平衡态；4、调整好导热系数仪的测试参数并测量相应的热流量；5、待稳定后记录相应温度数据，并根据数据计算样品的导热系数；6、重复上述实验步骤，测量其他不同材质的导热材料试样。
实验结果实验中我们测试了不同材质的导热材料试样，并得出了如下的测试结果：样品导热系数 W/m·K铝材 217黄铜 168不锈钢 16.3实验分析通过实验测试，我们可以得到不同材质导热材料的导热系数，铝材、黄铜的导热性能比不锈钢强。
在测量中，需注意调整好测量参数并等待恒定状态下才能测量，避免测试数据的误差。
实验中导热系数仪的规格、仪器的精度等因素也会对测试结果产生一定的影响。
在接下来的实验中需注意这些细节，避免测量数据误差的产生。
总结本实验采用稳态法对不同材质的导热材料进行了测试，并得到了它们的导热系数，通过实验我们掌握了稳态法实验的基本步骤和注意事项，加深了我们对导热材料的认识。
稳态法导热系数的测量实验报告
稳态法导热系数的测量实验报告一、实验目的1、了解稳态法测量导热系数的原理和方法。
2、掌握测量导热系数的实验技能。
3、学会使用相关实验仪器，并分析实验误差。
二、实验原理稳态法是利用热源在待测样品内形成稳定的温度场，通过测量传热速率和温度梯度来计算导热系数。
当热量在样品中稳定传递时，根据傅里叶定律，热流密度＄q$ 与温度梯度＄＼frac{dT}｛dx}＄成正比，比例系数即为导热系数＄＼lambda$，即：＄q ＝＼lambda\frac{dT}｛dx}＄在实验中，我们通过测量加热功率＄P$、样品的横截面积＄A$、冷热面之间的温度差＄＼Delta T$ 以及样品的厚度＄d$ 来计算导热系数＄＼lambda$。
其计算公式为：＄＼lambda ＝＼frac{Pd}｛A\Delta T}＄三、实验仪器1、稳态法导热系数测定仪包括加热装置、冷却装置、测温热电偶等。
2、数字电压表用于测量热电偶的热电势。
四、实验步骤1、准备样品选取尺寸合适、表面平整的待测样品，将其安装在导热系数测定仪的样品架上。
2、连接线路将热电偶与数字电压表正确连接，确保测量信号的准确传输。
3、开启仪器打开加热装置和冷却装置，设置合适的加热功率和冷却温度。
4、测量温度待温度稳定后，读取冷热面热电偶的温度值，记录温度差＄＼Delta T$。
5、测量功率同时读取数字电压表上显示的加热功率＄P$。
6、记录数据记录样品的横截面积＄A$ 和厚度＄d$ 等参数。
7、重复测量改变加热功率，重复上述步骤进行多次测量，以提高实验结果的准确性。
五、实验数据处理1、将测量得到的加热功率＄P$、温度差＄＼Delta T$、样品的横截面积＄A$、厚度＄d$ 等数据代入公式＄＼lambda ＝＼frac{Pd}｛A\Delta T}＄，计算出导热系数＄＼lambda$。
2、对多次测量的数据进行平均值计算，以减小随机误差。
3、分析实验数据的误差来源，如热电偶的测量误差、加热功率的不稳定、样品尺寸的测量误差等。
稳态法测量固体导热系数
七、注意事项
1．实验操作过程中，要注意防止高温烫伤； 2．测温传感器插入小孔时抹些硅油，并插到孔洞底部， 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．用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约 要半个小时左右。待θ2的数值在数分钟内不变时，即可认 为已达到稳定状态。（由于控温精度有限， θ1、θ2 的读数 可能会出现波动 ） 5 ． 测量稳态温度和散热速率过程中，要注意保持一样 的环境条件。 6.实验之后，整理好仪器设备，做好清洁卫生。
i 2
U（(tpuA()2 )(kp 3)2
U U U 2 U tt 2
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原子能沸水反应堆发电原理图
原子能压水反应堆发电原理图
附录 铂金属热电阻测温原理电路图
Rt为铂热电阻 Va接稳压电源 Vo接直流电表 左侧为电桥电路 右侧为差分电路 Rt=Ro(1+αt)
附录 逐差法处理数据及不确定度估算
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1 n
n j
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Q q
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（ （1）
1
式（1）中θ10、θ20是传热稳定时的样品上下表面温度， 样品的传热速率， q 是铜盘散热率。
是 Q
t
t
根据傅立叶的热传导定律，（1）式左边可以写为：
Q12 S
（2）
t
h1
而根据物体的散热率与冷却率之间的关系，（1）式右边
四、实验仪器
1．TC-3B型λ 测试仪和测试架 2．待测样品（环氧圆盘、硅橡胶盘） 3．游标卡尺 4．手套
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稳态法测固体的导热系数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，其微观机制是热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。
在金属中自由电子起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
法国科学家傅里叶（ 1786——1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解析理论》中详细的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：T grad q λ-=此即傅里叶热传导定律，其中q 为热流密度矢量（表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量），λ是导热系数又称热导率，是表征物体传导热能力的物理量， λ在数值上等于每单位长度温度降低1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是11K m W --∙∙ 。
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。
因此，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。
测量导热系数的方法很多，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。
测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。
稳态法是在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。
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。
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。
【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】稳态平板法测量物体的导热系数原理示意图如图1，发热盘A 将热量传到待测物体样品盘B ，再传到散热盘C ，由于A 、C 盘是用热的良导体做的，与待测样品盘B 紧密接触，其温度可以代表B 盘上、下表面的温度21T ,T ，（21T T >），在样品盘B 内，若热传导方向垂直于上、下表面，两表面彼此间相距为B h 、面积均为S ，当热传导达到稳定状态时，即1T 和2T 的值不变，根据傅立叶热传导定律，则在t ∆时间内通过B 盘的热量Q ∆满足下述表达式：B B h T T S t Q)(21-∙∙=∆∆λ稳态 ( 1 ) 式中tQ ∆∆为热流量，λ即为该物质的导热系数（又称作热导率），若样品盘B 做成圆盘，其半径为B R ，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：221)(BBB R h T T tQ∙∙-∙=∆∆πλ稳态( 2 ) 当热传导达到稳定状态时，此时通过B 盘上表面的热流量与由散热盘C 向周围环境散热的速率相等，即散热稳态C t Q t Q ⎪⎭⎫⎝⎛∆∆=⎪⎭⎫⎝⎛∆∆B （3） 因此可通过C 盘在稳定温度2T 时的散热速率来求出热流量tQ∆∆ 。
实验中，在读得稳态时的1T 和2T 后，即可将B 盘移去，而使发热盘A 的底面与散热盘C 直接接触。
当盘C 的温度上升到高于稳态时的2T 值若干摄氏度后，再将发热盘A 移开，让散热盘C 自然冷却。
观察它的温度T 随时间t 变化情况，然后由此求出C 盘在2T 的冷却速率2T T tT =∆∆,散热盘C 的散热速率与其冷却速率的关系为2T T C t T mc t Q =⎪⎭⎫⎝⎛∆∆=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆散热 （4） 式(4)中m 是散热盘的质量，c 是散热盘的比热。
但要注意，这样求出的tT∆∆是C 盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为C C C h R R ∙∙+∙ππ222（其中C C h R 与分别为C 盘的半径与厚度）。
然而，在观察测试样品的稳态传热时，C 盘的上表面（面积为2C R π）是被样品覆盖着的，根据物体的冷图1却速率与它的表面积成正比的原理，这部分面积计算时应予以扣除。
那么稳态时C 盘的散热速率的实际表达式应按如下修正：()()C C C C C CC h R πR πh R πR πt T t Q ∙∙+∙∙∙+∙∙∆∆∙∙=∆∆222c m 22散热 （5） 将式（5）代入式（2），得：()()()2211222BC C B C C R T T h R h h R t Tc m ∙∙-∙+∙+∙∆∆∙∙=πλ （6） 【实验仪器】TC-3B 型导热系数测定仪，游标卡尺，环氧盘，硅橡胶盘，等。
TC-3B 型导热系数测定仪如图2 所示。
该仪器采用低于36V 的隔离电压作为加热电源，安全可靠。
整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘A 和散热圆盘C 的侧面各有一小孔，作为插入铂电阻温度传感器之用。
散热盘C 放在可以调节的三个螺栓（接触点隔热）上，可使待测样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触，散热盘C 下方有一个轴流式风扇，在需要快速降温时用来强制散热。
插在加热圆筒内的铂电阻温度传感器作为系统控温和上盘温度检测之用（出厂时已安装）。
另两个铂电阻温度传感器分别插入散热铜圆盘C （下盘）或发热铝圆盘A （上盘）的侧面小孔内。
铂电阻温度传感器插入时，其表面要涂少量的硅脂，两个铂电阻温度传感器的接线端与切换开关相连，可以由数字表方便地读取上、下盘的温度值。
仪器的数字计时装置，计时范围166min ，分辩率0.1s ，供实验计时用。
仪器还设置了PID 自动温度控制装置，控制精度±1℃，分辩率0.1℃，供实验时控制加热温度用。
【实验内容】一、散热盘C 和待测样品B 的直径、厚度的测量。
1．用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。
2．用游标卡尺测量散热盘C 的直径和厚度，测5次，C 盘的质量已用钢印打在上面，请 图2 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪直接记录。
二、固体导热系数的测量：1．连接导线：实验时，在仪器机箱的后部根据指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三根专用导线与测试支架上的三个插座连接，两个铂电阻测温传感器导线接到测试支架的切换开关上的插座中，通过切换开关后与仪器机箱前面板上左侧的“测温传感器”插座相联。
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P 密切接触。
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。
3．设置加温上限温度：接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度如60℃（PID 智能温度控制器的具体操作见附录），不要超过100℃。
4．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35分钟左右），说明系统己达到稳态，这时每隔 5 分钟测量并记录T 1和T 2的值。
5.散热速率的测量：在读得稳态时的T 1、T 2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T 2值若干摄氏度（例如5℃左右）后，再将发热铝盘 A 移开，让散热铜盘 C 自然冷却。
测量散热盘的温度T 随时间 t 的变化关系，每隔30秒记录一次温度T ，直至温度到T 2之下若干摄氏度为止。
根据测量值可以计算出C 盘散热速率散热C t Q∆∆。
6．如果还要测量另一种材料的导热系数，可打开轴流式风扇，待散热盘C 的温度接近室温后再关上风扇。
接下来重复步骤2～5即可。
【注意事项】1．集成温度传感器插入发热铝盘A 和散热铜盘C 侧面的小孔时应在温度传感器头部涂上导热硅脂，并插到孔洞底部，避免因传感器接触不良，造成温度测量不准。
2．实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒上端的固定螺钉。
样品取出后，小心将加热圆筒降下，使发热铝盘A 与散热铜盘P 接触，重新拧紧固定螺钉。
3．实验操作过程中要注意防止高温烫伤。
4．实验前，要标定一下两测温传感器的读数，若不一致，要进行修正。
5．用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，约要半个小时左右。
待T 2的数值在数分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。
【数据处理】1．散热盘C 的有关物性参数：紫铜的比热C=394J/(kg·℃)，密度ρ=8.9g/cm 32．数据表1 ： 散热盘和样品盘的几何参数（散热盘C 质量M = g)3．数据表2：稳态过程记录（=1T ℃，=2T ℃）4．数据表3： 散热盘冷却速率测量 （每隔30秒测一次）5.根据数据表3的数据，计算散热盘C 稳态时在T 2附近的冷却速率。
计算出样品材料的导热系数，求出不确定度，并写出结果表达式。
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.分析误差的原因。
【思考题】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T 2附近的冷却速率？【参考资料】1．吴泳华，霍剑青，熊永红.大学物理实验.北京：高等教育出版社，2004 2．周殿清.大学物理实验.武汉：武汉大学出版社，2002【实验附录】PID 智能温度控制器是一种高性能、可靠性好的智能型调节仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。
控制器面板布置图（见图3）：例如需要设置加热温度为30℃，具体操作步骤如下：1．先按设定键SET 0.5秒，进入温度设置。
（注：若学生不慎按设定键时间长达5秒，出现进入第二设定区符号，这时只要停止操作5秒，仪器将自动恢复温控状态。
）2．按位移键，选择需要调整的位数，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。
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。
图3 PID 温度控制器面板布置图仅供个人参考仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur für den persönlichen für Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwen det werden.Pour l 'étude et la recherche uniquement à des fins personnelles; pas à des fins commerciales.толькодля людей, которые используются для обучения, исследований и не должны использоваться в коммерческих целях.以下无正文。