稳态法测固体的导热系数讲义2014.09.07
稳态法测量导热系数
稳态法测量导热系数方案
分析：
由傅里叶定律可知，要想得出材料的导热系数，首先得知道通过材料上的热流密度q 及其材料的温度变化率/t x 。
热流密度是指单位时间内通过单位面积的热量，热量可由电功率计算，即可通过电压电流表间接测出，面积可由尺具测出。
温度变化率可由测温仪器和计时表测出。
热源可由温度可控的电热管提供。
测量方案：
1. 主要实验器材
电热管、保温箱、电流表、电压表、测温器、计时表
2. 实验步骤：
1.前期准备
检查实验设备能否正常工作，对于固体工件可对其表面进行打磨处理，减少工件表层氧化膜对工件正常导热造成影响，对于液体材料要保证装乘器皿要足够清洁，同时应将实验处的门窗关上，减小实验误差。
2.测量材料导热面积和温度
使用尺具测量材料的边界温度并计算出其面积A ，使用测温仪器测量出材料的初始
中心温度0T
3.加热材料
将电热管的加热温度设定为T 并在保温箱里对材料进行加热，同时用计时表开始计
时，每格t 便对材料的中心处进行温度测量，记录下相应的温度12,,n T T T ……并对
所测得的温度值进行观察。
4.测量热流量
当材料被加热一段时间后，当材料温度超过某一个测得温度后不在升高或者变化幅
度很小的时候，再测5组温度值，并用电流电压表测出材料两端的电流I,电压V 。
5.结束测量
关掉电源停止加热，清理实验设备。
3. 数据处理
将最后测得的5组温度值取平均数得T ，并求出从初始加热到倒数第6组温度所需
要的时间t,则材料的导热系数为：
/(/)IU A T t λ=-
4. 结论
将所测得的温度与标准值进行对比并分析误差。
稳态法导热系数测量实验原理
稳态法导热系数测量实验原理导热系数是衡量物质导热性能的重要物理量，它描述了物质传热的能力。
稳态法是一种常用的测量导热系数的方法，在实验中通过测量样品两侧的温差和导热平衡时的热流量，可以准确计算出导热系数。
稳态法实验原理基于热传导定律和热阻的概念。
根据热传导定律，物体内部的热传导速率与温度梯度成正比，且与物体的导热系数成反比。
而热阻则表示物体阻碍热传导的程度，是热传导速率与温度差的比值。
稳态法实验利用了这两个概念，通过测量样品两侧的温度差和热流量，求解出热阻，再通过已知的样品尺寸和热阻，计算得到导热系数。
稳态法实验的主要步骤如下：1. 准备样品：选择具有一定导热性能的样品，如金属棒或热绝缘材料。
样品的尺寸和形状应符合实验要求，以保证实验结果的准确性。
2. 搭建实验装置：将样品固定在两个热源之间，保证样品两端与热源接触良好。
同时，通过绝缘材料隔离样品与外界的热交换，以确保实验过程中的稳态条件。
3. 测量温度差：在样品两端分别安装温度传感器，实时监测样品两侧的温度。
在稳态条件下，记录下样品两侧的温度差，作为后续计算的基础数据。
4. 测量热流量：通过热量计或热电偶等仪器，测量样品两侧的热流量。
在稳态条件下，热流量恒定不变，可以准确记录。
5. 计算热阻：根据热阻的定义，热阻等于温度差与热流量的比值。
将测得的温度差和热流量代入计算公式，得到样品的热阻。
6. 计算导热系数：已知样品的尺寸和热阻，可以通过热传导定律的公式，计算出样品的导热系数。
在稳态法导热系数测量实验中，需要注意以下几点：1. 保持稳态条件：为了获得准确的测量结果，实验过程中必须保持稳态条件。
即样品两侧的温度差和热流量保持恒定不变。
2. 考虑热辐射：在实验中，需要考虑样品与周围环境之间的热辐射问题。
通过合理选择绝缘材料和控制环境温度，减小热辐射对实验结果的影响。
3. 样品的选择：不同的样品具有不同的导热性能，选择合适的样品对于实验结果的准确性至关重要。
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
U () W /m ( K )
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
t 2
1 n
n j
j1 tj
j5
tj5
uA()
1n
nn1i1
Q q
t t 110
22 0
（ （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
准稳态法测量比热和导热系数
准稳态法测量比热和导热系数
比热和导热系数是材料物理性质中的两个重要参数。
比热是指单位质量物质在温度变
化下吸收或释放的热量，而导热系数是指在温度梯度下单位面积材料所传导的热量。
准稳
态法是一种常用的测量比热和导热系数的方法。
准稳态法的原理是将材料置于热源和冷源之间，使其温度从热源端到冷源端逐渐降低。
在稳态时，材料的温度分布和热流分布达到了平衡状态，此时材料的导热系数和比热可通
过测量温度和热流来计算得到。
具体实验步骤如下：
1.在实验装置的热源端和冷源端分别接上热源和冷却器，并在中间加装被测材料。
2.启动热源和冷却器，使其保持恒定的温度。
3.通过热电偶等温度计测量被测材料的温度分布。
通常可以在材料表面粘贴一定数量
的热电偶，并通过微型电脑采集数据。
4.通过热流计测量热源和冷源之间传导的热流。
热流计是一种基于热电效应的电子仪器，可以测量电导率和温度梯度来计算热流。
5.通过实验数据计算被测材料的比热和导热系数。
根据热传导定律，可以将热流和导
热系数表示为以下关系：Q=λ×A×(T1-T2)/L，其中Q为热流，λ为导热系数，A为横截
面积，T1和T2分别为热源和冷源的温度，L为材料长度。
由于准稳态法测量过程中需要维持恒定的温度和热流，因此实验装置的设计和操作都
需要具备一定的技术水平。
此外，不同材料的比热和导热系数可能有很大的差异，因此在
实验计算中需要注意各项参数的精确度和精度。
导热系数的测定讲解
导热系数的测定导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的重要依据，而且是应用材料时的一个设计参数，在加热器、散热器、传热管道设计、房屋设计等工程实践中都要涉及这个参数。
因为材料的热导率不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响热导率的数值，所以在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。
测量热导率的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。
本测试仪采用稳态法测量不同材料的导热系数，其设计思路清晰、简捷、实验方法具有典型性和实用性。
测量物质的导热系数是热学实验中的一个重要内容。
【实验目的】1、了解热传导现象的物理过程2、学习用稳态平板法测量材料的导热系数3•学习用作图法求冷却速率4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法【实验仪器】1、Y BF-3导热系数测试仪一台2、冰点补偿装置一台3、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）一组4、塞尺一把【仪器简介】仪器的面板图上面板图F面板图加热温度的设定:① •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。
② •根据实验所需温度的大小，再按设定键（S ）左右移动到所需设定的位置, 然后通过加数键（▲八 减数键（▼）来设定好所需的加热温度。
③ •设定好加热温度后，等待 8秒钟后返回至正常显示状态。
仪器的连接连线图从铜板上引出的热电偶其冷端接至冰点补偿器的信号输入端，经冰点补偿 后由冰点补偿器的信号输出端接到导热系数测定仪的信号输入端。
【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
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Z o 处取 一个垂直截面积dS （如图1）以 壬 表示在Z 处的温度梯度，以 罟 表示在该 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：u dTdQ = -（ 一 XS d !）dtdz式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度 的方向相反）。
稳态法测固体的导热系数
cmKh ( D 4 ) 1 D 2 ( T T )( D 2 ) 1 2 2
c——下铜盘的比热容； m——下铜盘的质量； K——可由冷却曲线直接查出； h——待测物B的厚度； T1, T2——待测物上、 下面的温度； D, δ——下铜盘的直径和厚度.
实验步骤
• 1) 安置圆筒、 圆盘.热电偶. • 2) 对YBF2型导热系数测试仪SV进行设定. • 3) 当加热圆筒冷却到接近室温时， 移去样品， 再对下铜盘加热至温
度比T2(最高值)高出5℃左右
• 4)画出冷却曲线， • 求出T=T2时， 该点对应的冷却曲线的斜率K值， 代入公式， 求 出导热系数. • 5) 用游标卡尺多次测量待测物厚度h,下铜盘的直径D、 厚度δ， 然 后取平均值.
稳态法测固体的导热系数
实验目的
① 学会利用物体的散热速率求热传导速率； ② 掌握稳态法测定固体的导热系数.
实验仪器
YBF2型导热系数测试仪1台，
保温杯1只，
待测样品若干， 测片1把.
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. 一个物体如果 两端接触温度不同的物体， 那么热量就经过该物体， 从高温端传到低温端. 物 体导热的机理与物质内分子的热运动有直接关系， 在温度高的一端， 物质分子 的热运动比较剧烈(对固体来说， 是分子的振动)，它们与高温端稍远一点而运 动较慢的相邻分子相互碰撞， 将一部分能量传给相邻分子，相邻的这些分子又 通过碰撞， 将一部分能量传给更远的分子， 所以， 热运动的能量由物体的热 端向冷端传递. 当温度的变化只沿着一个方向(设z方向)进行的时候， 热传导的 基本公式可以写为
数据记录
min E1 T1 E2 T2 0-3 3-6 6-9
稳态法测量物体的导热系数——讲义
实验4 稳态法测量物体的导热系数导热系数是表征物体传热性能的物理量，它与材料本身的性质、结构、湿度及压力等因素有关。
测量导热系数的方法一般分为稳态法和动态法两类。
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向低温处传导，则待测样品内部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。
本实验采用稳态法。
【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。
【预习要点】（1）复习游标卡尺的使用；（2）热传导的特点是什么？用什么公式描述这一现象？（3）用稳态法测定不良导体导热系数时，稳态指的是什么？怎样判断是否到达稳态？ （4）本实验怎样通过转换法计算传热速率？计算散热速率时，怎样采集和选用实验数据？【实验原理】当物体内部温度不均匀时，热量会自动地从高温处传递到低温度处，这种现象称为热传导，它是热交换基本形式之一。
设在物体内部垂直于热传导的方向上取相距为h 、温度分别为1T 、2T 的二个平行平面(图4.1)。
由于h 很小，可认为二平面的面积均为S ，则在t ∆时间内，沿平面S 的垂直方向所传递的热量满足下列傅里叶导热方程式()hT T S t Q21-=∆∆λ (4.1) 上式为热传导的基本公式，由法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier)导出。
式中比例系数λ称为导热系数，又称热导率，它是表征材料热传导性能的一个重要参数。
λ与物体本身材料的性质及温度有关，材料的结构变化与杂质多寡对λ都有明显的影响，同时，环境温度对λ也有影响。
在各向异性材料中，即使同一种材料，其各个方向上的λ值也不相等。
由式(4.1)知，导热系数λ在数值上等于两个相距单位长度的平行平面，当温度相差一个单位时，在垂直于热传导方向上单位时间内流过单位面积的热量。
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∆∆。
准稳态法比热与导热系数测定
准稳态法比热与导热系数测定热传导是一种重要的物理现象，它在工程、物理、化学等领域都有着广泛的应用。
为了研究热传导现象，我们需要测定材料的比热和导热系数。
本文将介绍一种测定材料比热和导热系数的方法——准稳态法。
一、准稳态法的原理准稳态法是测定材料比热和导热系数的一种常用方法。
它的原理是基于热传导的基本方程式：frac{partial T}{partial t} = alphaabla^2 T其中，T是温度，t是时间，alpha是热扩散系数，abla^2是拉普拉斯算子。
在准稳态条件下，即当时间足够长时，温度分布不再随时间变化，即frac{partial T}{partial t} = 0因此，我们可以得到下面的方程：abla^2 T = 0根据边界条件，我们可以求出温度分布，从而计算出材料的比热和导热系数。
二、准稳态法的实验步骤1. 实验装置准稳态法的实验装置主要包括一个热源、一个热传导材料和一个温度传感器。
2. 实验步骤（1）将热源放置在热传导材料的一端，并加热。
（2）等待一段时间，使得温度分布达到准稳态。
（3）在热传导材料的另一端放置一个温度传感器，记录温度随时间的变化。
（4）根据温度分布和时间变化，计算出材料的比热和导热系数。
三、准稳态法的优缺点1. 优点准稳态法测定材料比热和导热系数的方法简单，实验装置也比较容易搭建。
2. 缺点准稳态法需要等待一段时间，使得温度分布达到准稳态，这会导致实验时间较长。
此外，准稳态法对实验环境的影响比较大，需要对实验环境进行控制。
四、结论准稳态法是一种测定材料比热和导热系数的有效方法，它基于热传导的基本方程式，通过测量温度随时间的变化来计算材料的比热和导热系数。
虽然准稳态法需要等待一段时间，但它的实验装置简单，对实验环境的要求也比较低，因此在实际应用中具有一定的优势。
稳态法
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：
【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 T1 和 T2 的值。 5.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 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 T2 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
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。
准稳态法比热导热系数测定
准稳态法比热导热系数测定准稳态法比热导热系数测定（Steady State Method for Thermal Conductivity Determination，简称SSMT）是一种用于测量物质的比热导热系数的方法。
这种方法基本上是建立在热力学原理和热传导基础之上的，它可以测量物体表面的温度以及深入到物体内部的温度变化，从而可以测量出物体内部的比热导热系数。
准稳态法比热导热系数测定，也称为“热传射”法，是一种采用稳态传热作用原理的测量技术。
它通过检测物体内部的温度分布和外表层的温度变化，来计算出物体的比热导热系数，从而检测物体的热性能。
其基本原理如下：将物体表面施加一较高的温度，然后检测物体内部的温度分布，利用基本的热传导理论，根据物体表面的温度变化和物体内部温度分布，可以得到物体的比热导热系数。
准稳态法比热导热系数测定的基本步骤包括：1. 首先要设计一个可以把物体表面受到一定温度的装置。
2. 测量物体表面的温度，以及物体内部不同位置处的温度。
3. 用所测得的物体表面温度和物体内部温度，结合热传导理论，求出物体的比热导热系数。
因为热传射法的原理涉及到物体的温度分布，所以准稳态法比热导热系数测定需要更加复杂的测量装置。
例如，在针对薄膜或弹性体的测量中，必须使用温度压力测量测定装置，以检测膜或弹性体表层的温度；在针对隔热材料、绝热材料或者实体固体的测量中，必须使用热电偶测试仪，以检测物体内部的温度变化情况。
此外，准稳态法比热导热系数测定还需要有一套完善的计算方法，以实时计算出物体的比热导热系数。
常用的计算方法有：热传导方程的解析解法、有限差分法、有限元法等。
准稳态法比热导热系数测定的优点在于可以直接测量物体表面和内部的温度，并从而求出物体的比热导热系数，而且这种方法对于测量物体表面的温度变化以及物体内部的温度分布都十分精确。
缺点在于需要一套完善的测量装置以及一段较长的测量时间，而且计算过程也比较复杂。
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。
准稳态法比热与导热系数测定
准稳态法比热与导热系数测定导热系数和比热是材料物理学中非常重要的参数，它们决定了材料的热传导性能和热容量，对于材料的热工性能和应用具有重要的影响。
因此，准确地测定材料的比热和导热系数是非常重要的。
准稳态法比热测定准稳态法比热测定是一种常用的实验方法，它利用热平衡原理通过测量样品加热后的温度变化来确定样品的比热。
该方法的基本原理是，将加热器加热后的样品放置在绝热容器中，待样品温度达到平衡后，记录下样品的初始温度和加热器的功率，然后关闭加热器，记录下样品的温度随时间的变化曲线，根据热平衡原理，可以得到样品的比热。
具体实验步骤如下：1. 将样品放置在加热器中，记录下初始温度和加热器的功率。
2. 关闭加热器，记录下样品的温度随时间的变化曲线。
3. 根据热平衡原理，计算出样品的比热。
准稳态法导热系数测定准稳态法导热系数测定也是一种常用的实验方法，它利用热平衡原理通过测量样品两端的温度差和导热板的热流量来确定样品的导热系数。
该方法的基本原理是，将样品夹在两个导热板之间，一个导热板加热，另一个导热板冷却，通过测量样品两端的温度差和导热板的热流量，可以得到样品的导热系数。
具体实验步骤如下：1. 将样品夹在两个导热板之间，一个导热板加热，另一个导热板冷却。
2. 记录下样品两端的温度差和导热板的热流量。
3. 根据热平衡原理，计算出样品的导热系数。
实验注意事项1. 实验过程中要保证样品处于稳态状态，不要受到外部干扰。
2. 实验中要注意测量精度，避免误差的产生。
3. 实验结束后要对仪器进行清洗和保养，以保证下次实验的准确性。
总结准稳态法比热与导热系数测定是一种常用的实验方法，通过该方法可以准确地测定材料的比热和导热系数。
这些参数对于材料的热工性能和应用具有重要的影响，因此准确地测定它们是非常重要的。
在实验中要注意稳态状态和测量精度，以保证实验的准确性。
稳态法测量材料的导热系数
稳态法测量材料的导热系数2015-04-02导热系数是表征材料导热能力大小的量。
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料的两侧温度相差1°C时，在单位时间内，通过1m2所传导的热量。
材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。
由于导热性能有许多种测量方法，事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征，以及使用温度的大致范围，以选用正确的测量方法。
本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。
稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。
稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后，通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。
稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。
稳态法测导热系数的基本原理图及公式为：λ=Qd/A△T；单位:W/(m•K)注意：稳态条件下；材料应为单一均质的干燥材料。
Q:热流稳定后，通过试样的热流量（w）；d:试样厚度(m)；A:试样面积(m)；:温度差(℃)。
热流计法热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。
将样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。
热流法适用于低导热材料，测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试，在达到温度梯度稳定期后，测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。
适合测试导热系数范围为0.001~50W/m•K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。
护热平板法护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似，保护热板法的测量原理如下图所示。
热源位于同一材料的两块样品中间。
热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。
当试样上、下两面处于不同的稳定温度下，测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度，应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。
稳态法测量导热系数
稳态法测量导热系数稳态法是一种测量材料导热系数的技术，也称为稳态传热法。
该技术被广泛应用于建筑、机械、化学等领域中，用于评估材料的热性能。
本文将介绍稳态法的工作原理、实验流程、数据处理和误差分析。
一、工作原理稳态法是一种基于傅立叶热传导定律的测量方法，该定律表明了稳态下的热流密度与物质导热系数、温度梯度和厚度之间的关系：q = -k × (ΔT/Δx)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流密度，k是材料的导热系数，ΔT是单位长度上的温差，单位为摄氏度（℃），Δx是热传导的距离，单位为米（m）。
根据该定律，可以通过测量热流密度、温差和材料厚度来计算其导热系数。
稳态法的基本思路是，将待测材料夹在两个恒温热源之间，并使其达到稳态，即等温状态，此时热流密度是恒定的。
测量热源间的温度差和材料的厚度，就可以计算材料的导热系数。
二、实验流程1.实验器材准备将待测材料进行样品制备并加工好待使用，要求样品的厚度均匀、表面平整，确保实验过程中的稳态传热。
2.实验条件设定设定多个恒温热源，取出两个热源，一个设为高温热源，一个设为低温热源，通过加热或冷却的方式控制两个热源的温度差。
在放置样品之前，需记录热源间的温度差，以便于测量过程中的误差分析。
3.样品夹持将待测材料夹在两个热源之间的夹具中，夹具要求对样品进行有效的压紧，以确保样品的良好传热。
4.数据采集在待测试材料表面的两个端面处，用热电偶测量在不同恒温热源下的温度差。
在接受到热流量的过程中，用热流量计量仪测量热流量，确保精准测量热传导过程中的热速度。
5.数据处理通过采集的数据，按照傅立叶热传导定律计算出待测材料的导热系数，得到实验值。
在获得实验值之后，进行误差分析，验证实验本身的准确性。
三、误差分析稳态法的精度受多种因素影响，包括：温度的精度、压力的影响、厚度的均匀性、试样几何形状、热流密度的均匀性等。
对于建筑材料的稳态法，误差来源相较于机械、化学领域有所不同。
稳态法材料导热系数的测定
稳态法材料导热系数的测定
一、实验目的
用圆管法则测定绝热材料的导热系数。
二、实验原理
稳定条件下园筒壁一维导热的推导:在一园筒壁中取一直径为２r厚为dr的微元件，由付立叶定律
可得园筒壁导热公式
则
在实验中要测定园筒壁材料的导热系数，只要使其内建立稳定的一维（圆柱坐柱系）温度场，测定圆管壁的内外直径，内外壁面温度，有效长度和有效长度上的热流量即可。
由于温度的大小是由电能来控制,故Q=ＩV。
三、实验设备
１、电阻丝２、热电偶３、外圆管４、待测材料5、内圆
管
实验设备包括：实验本体、热电偶测温系统和测量仪表,上面是实验装置示意图。
四、实验步骤
1、熟悉仪表和设备，记下它们的别级、测量范围等,校正各仪表零点;
2、了解试材内外直径；
3、按图接好线路，经老师检查无误后，按通电源加热,逐渐加热,使电压调至20０V；
4、待整个导热表装置达到热稳定时,记录需测数据。
镍铬—银硅（镍铅)热电偶分度表
（参考端温度为０℃)
五、实验报告
1、实验数据记录；
2、实验结果整理；
3、讨论实验结果,分析误差原因。
六、注意:
1、谨防触电,保证安全．
2、实验进行中,尽可能防止干扰圆管周围空气的自由运动。
(整理)稳态平板法测定材料导热系数
稳态平板法测定材料导热系数实验指导书一. 实验目的1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定材料导热系数的实验方法和技能。
2.测定试验材料的导热系数。
3.确定试验材料导热系数与温度的关系。
二.实验原理导热系数是表征材料导热能力的物理量。
对于不同的材料，导热系数是不同的；对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。
各种材料的导热系数都用试验方法来测定，如果要分别考虑因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。
稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。
试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q 和平板两面的温差t ∆ 成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。
我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热量为 F t Q ⋅∆⋅=δλ[w]测定时，如果将平板两面的温差L R t t t -=∆、平板厚度δ、垂直热流方向的导热面积F 和通过平板的热流量Q 测定以后，就可以根据下式得出导热系数：Ft Q ⋅∆⋅=δλ )/(C m W ︒⋅需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：)(21L R t t t += ][C ︒在不同的温度和温差条件下测出相应的λ值，然后将λ值标在t -λ 坐标图内，就可以得出)(t f =λ 的关系曲线。
三.实验装置及测量仪表稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。
被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300][2mm ，实际导热计算面积F 为200×200][2mm ，板的厚度为 （实测）][2mm ，平板试件分别被夹紧在加热器的上、下热面和上、下水套的冷面之间。
加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。
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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（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。
【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，在观察图1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。
图2 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪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C 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．观测升温过程和稳态温度：打开加热开关，每隔2分钟记下发热盘温度A 和散热铜盘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），说明系统已达到稳态，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3℃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。