导热实验讲义
传热学讲义——第三章
第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
0≠τ∂∂t，任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。
根据物体内温度随时间而变化的特征不同，非稳态导热过程可分为两类：（1）周期性导热（periodic unsteady conduction ）：物体的温度按照一定的周期发生变化； 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。
（2）瞬态导热(transient conduction)：物体的温度随时间不断升高或降低，在经历相当长时间后，物体的温度逐渐趋于周围介质的温度，最终达到热平衡。
分析非稳态导热的任务：找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。
第一节 非稳态导热的基本概念一、瞬态导热过程采暖房屋外墙墙内温度变化过程。
采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的。
采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。
墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变。
采暖设备开始供热：刚开始供热时，由于室内空气温度很快升高并稳定，内墙温度的升高相对慢些，内墙表面热流密度最大；随着内墙温度的升高，内墙表面热流密度逐渐减小；随着外墙表面的缓慢升高，外墙表面热流密度逐渐增大；最终二者相等。
上述非稳态导热过程，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。
（1）第一阶段（右侧面不参与换热）是过程开始的一段时间，特点是：物体中的一部分温度已经发生变化，而另一部分仍维持初始状态时的温度分布（未受到界面温度变化的影响），温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，物体内各处温度随时间的变化率是不一样的，即：在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段或初始阶段（initialregime）。
（2）第二阶段（右侧面参与换热）当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受t影响，主要取决于边界条件及物性。
导热系数讲义
不良导体的热导系数的测量实验简介材料的导热系数是反映材料热性能的物理量，导热机理在很大程度上取决与它的微观结构，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。
导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、 压力及杂质含量相联系。
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，另一类是动态法。
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析，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。
实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。
实验仪器待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘（带隔热层）、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等实验原理1，导热系数当物体内存在温度梯度时，热量从高温流向低温，谓之热传导或传热，传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积，比例系数为热导系数或导热率：dS dxdTdt dQ λ-= （1） 2，不良导体导热系数的测量厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘之间。
热量由加热盘传入。
加热盘和黄铜盘上各有一小孔，热电偶可插入孔内测量温度，两面高低温度恒定为T 1 和T 2时，传热速率为S hT T dt dQ21--=λ （2）图 1图 2由于传热速率很难测量，但当T 1 和T 2稳定时，传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热量。
这时移去橡胶板，使加热盘与铜盘直接接触，将铜盘加热到高于T 2约10度，然后再移去加热盘，让黄铜盘全表面自由放热。
每隔30秒记录铜盘的温度，一直到其温度低于T 2，据此求出铜盘在T 2附近的冷却速率dtdT。
铜盘在稳态传热时，通过其下表面和侧面对外放热；而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。
物理教案：探究热传导的实验与原理
物理教案：探究热传导的实验与原理一、实验目的与背景热传导是物质内部自发的热量传递过程，在日常生活中无处不在。
为了深入理解热传导的原理，本次实验旨在通过探究热传导的实验来验证其基本规律，并加深对热传导现象的理解。
二、实验器材与原料1. 长方形金属棒（如铜棒）：用于传递和传导热量。
2. 温度计：测量金属棒的温度变化。
3. 夹子：固定金属棒。
4. 酒精灯或点火器：提供能量以使金属棒受热。
5. 计时器：记录实验过程中的时间。
三、实验步骤1. 将金属棒固定在架子上，使其水平放置。
2. 给金属棒两端施加恒定电流，在其中一端点火镁带进行点火，并立即启动计时器。
3. 同时开始记录金属棒不同位置处的温度，并随时间推移进行观察，并记录各个时间节点处该位置温度值。
4. 在观察到温度差变得稳定后停止计时和观察。
5. 将实验结果整理并分析。
四、实验原理与技术解释热传导是物质内部的自发热量传递过程，其基本规律可以通过实验来验证。
在这个实验中，我们利用金属棒作为传导介质，通过给其中一端施加恒定电流对金属棒进行加热。
接着，我们记录不同位置处的温度随时间的变化。
根据研究得知，在稳态条件下，热传导过程中的能量流速密度与温度梯度成正比。
也就是说，当温度梯度越大时，单位时间内通过物体某一点表面积的热量传递也越大。
此外，金属具有优良的导热性能，在实验中既可以作为材料进行测试，也可以作为媒介进行传播。
因此，通过观察和记录金属棒上不同位置处的温度变化情况，我们可以推断出其内部热量如何传导，并验证这种推断是否与现有理论相符。
五、实验结果及讨论在实验过程中，我们记录了金属棒上不同位置处的温度随时间的变化。
根据观察到的结果，在初始阶段，加热端温度升高很快，而导热性能好的金属棒趋于稳定的速度较快。
随着实验时间的增加，温度梯度逐渐减小，整个金属棒达到热平衡。
根据实验结果和理论分析可得出结论：在稳态条件下，金属内部热传导的速率与距离加热源的位置成反比；同时，在单位时间内通过单位面积传递的热量与温度差成正比。
讲义(导热系数)
注意：本次实验B211有三种实验仪器，座位号1—10预习报告参考?讲义一?内容，座位号11—22预习报告参考?讲义二?内容，座位号23—24预习报告参考?讲义一?内容！讲义一：用稳态法测量不良导体的导热系数【实验目的】1、 感知热传导现象的物理过程；2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数；3、学习利用物体的散热速率测量传热速率。
【实验仪器及装置】FD-TC-B 型导热系数测定仪、游标卡尺及电子天平等如图1所示FD-TC-B 型导热系数测定仪，它是由电加热器、铜加热盘C ，橡皮样品盘或胶木样品盘B ，铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。
【实验原理】 1、傅立叶热传导方程傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的根本规律。
该方程式指出：在物体内部，垂直于热传导方向彼此相距B h ，温度分别是121θθθ（和>）2θ的两个平行平面之间，当平面的面积为S 时，在t δ时间内通过面积S 的热量Q δ满足关系：212124BB BQ S d t h h θθθθδλλπδ--== 〔1〕 即热流量tQδδ〔单位时间传过的热量〕与导热系数λ〔又称热导率〕、传热面图1 FD-TC-B 型导热系数测定仪积24B d S π=、距离B h 以及温差12θθ-有关。
而λ的物理意义为相距单位长度的两个平面间的温度相差一个单位时的每秒通过单位面积的热量。
不良导体的导热系数一般很小，例如，矿渣棉为0.058，石棉板为0.12，松木为0.15～0.35，混凝土板为0.87，红砖为0.19，橡胶为0.22等。
良导体的导热系数通常比拟大，约为不良导体的321010～倍，如铜为4.0×210。
以上各量单位是11W m K --。
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，到达稳定有效的散热。
散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品盘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。
讲义(导热系数)
导热系数的测定【实验目的】1、感知热传导现象的物理过程。
2、学习用稳态法测量不良导体的导热系数。
3、学习测量冷却速率的方法。
【实验仪器】TC-3型导热系数测定仪、温度传感器、橡皮版、电子秒表、游标卡尺、电子天平【实验原理】1、傅立叶热传导方程导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量，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和很多科学实验室中都有非常重要的应用。
如图一所示，设粗细均匀的圆柱形导体横截面面积为S ，高为h ，加热后上端温度为T 1， 下端温度为T 2，T 1> T 2，热量从上端流向下端。
若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时虽然各个截面的温度并不相等，但相等的时间内流过各个截面的热量必然相等（设侧面热损失可以忽略不计），这时热传递达到动态平衡，整个导体处于热稳定状态。
法国数学家、物理学家傅立叶给出了此状态下的热传递方程：hT T S t Q21-=∆∆λ （1） Q ∆是t ∆时间内流过导体横截面的热量，tQ∆∆叫传热速率。
比例系数λ就是材料的导热系数或叫热导率，单位是W/K m ⋅.（瓦/米•开）。
在此式中，s 、h 、T 1、T 2容易测得，关键是如何测出传热速率tQ∆∆。
2、用稳态法间接测量传热速率tQ∆∆ 如图二所示，将待测样品夹在加热盘和散热盘之间，设热传递已达到稳态，由（1）式可知，加热盘的传热速率为：hT T S t Q 21-=∆∆λ=2214-d h T T πλ， （2） d 为样品盘的直径，h 为样品盘的厚度。
散热盘的散热速率为：t Q ∆∆=cm 2T T tT=∆∆ ， （3）图一图二c 为散热盘材料的比热，m 为散热盘的质量，2T T tT=∆∆表示散热盘在温度为T 2时的冷却速率。
（2），（3）式的右边相等：22214h -T T tTcm d T T =∆∆=πλ，所以2)(4212T T t TT T d cmh =∆∆⋅-=πλ 。
实验讲义稳态法测固体导热系数
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＜JBJ.Fourier 1786 ―― 1830）根据实验得到热传导基本关系，1822年在其著作《热的解读理论》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：b5E2RGbCAP此即傅里叶热传导定律，其中为热流密度矢量＜表示沿温度降低方向单位时间通过单位面积的热量），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个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是------ 1 。
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。
plEanqFDPw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。
[导热系数讲义]
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注意：接地线必须接地！ 参考实验讲义二：热电偶温度计的定标
【实验目的】
1． 了解热电偶温度计。 2．对“铜—康铜”热电偶温度计定标。
【仪器描述】
1．图 2 是实验装置示意图 “铜-康铜”热电偶的一个接点（冷端）放在盛有冰 水混合物的保温杯中，使该接点维持在恒定的 0℃。另 一接点（热端）放在 A 盘小孔中。升温由它的加热器来 实现，当手动加热时，将控制方式置“手动” ，然后切 换加热控制开关。或将控制方式置“自动” ，然后由 PID 设定温度自动控制温度。 2. PID 控温(详见附录一) PID 智能温度控制器是一种高性能、高可靠性的智能型调节仪表，广泛应用于机械化工、轻工、冶金、石化、 热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。 3. 铜-康铜热电偶温度差为 100℃时，其温差电动势约 4.0mV，若精度要求不高，可直接用 20mV 数字电压表代替 UJ-36 型携带式直流电位差计。 UJ-36 型携带式直流电位差计的使用简述： 电位差计的工作原理是用滑线电阻上产生的已知压降来补偿热电偶产生的热电动势， 测量精度较高， 仪器使 用方法如下：
【实验内容】
1、量物体在室温 0～100℃多点的热导率，画出曲线。 2、测量不良导体的热导率。本仪器附橡皮、牛筋等样品供教学测试用。 3、测量金属的热导率。 （本仪器附有硬铝测试样品） 。 4、测量空气的热导率。
【测量装置结构】
测量装置样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘 P 和圆筒加热盘 A 之间距离和平整度的。 除测量金属样品 时不用圆筒固定外，其它如测橡皮和空气的热导率时，均需将圆筒的固定轴对准样品支架上的圆孔插入，并用螺 母旋紧。具体步骤是：先旋下螺母，将加热圆筒放下；使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定筒后 的紧固螺钉，从而由三个螺旋测微头来调节平面和待测样品厚度。
传热学讲义第一章—导热理论基础
第一章 导热理论基础本章重点：准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念，准确掌握导热基本定律及导热问题的基本分析方法。
物质内部导热机理的物理模型：（1）分子热运动；（2）晶格（分子在无限大空间里排列成周期性点阵）振动形成的声子运动；（3）自由电子运动。
物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项，这几种机理在不同形态的物质中所起的作用是不同的。
导热理论从宏观研究问题，采用连续介质模型。
第一节 基本概念及傅里叶定律1-1 导热基本概念一、温度场(temperature field)（一）定义：在某一时刻，物体内各点温度分布的总称，称为即为温度场（标量场）。
它是空间坐标和时间坐标的函数。
在直角坐标系下，温度场可表示为：),,,(τz y x f t = （1-1）（二）分类：1．从时间坐标分：① 稳态温度场：不随时间变化的温度场，温度分布与时间无关，0=∂∂τt ，此时，),,(z y x f t =。
（如设备正常运行工况） 稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。
② 非稳态温度场：随时间而变化的温度场，温度分布与时间有关，),,,(τz y x f t =。
（设备启动和停车过程）非稳态导热：在非稳态温度场中发生的导热。
2．从空间坐标分： ① 三维温度场：温度与三个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),,(),,,(z y x f t z y x f t τ ② 二维温度场：温度与二个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),(),,(y x f t y x f t τ∆tt-∆tgrad t③ 一维温度场：温度只与一个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态，)()(x f t x f t τ 二、等温面与等温线1．等温面(isothermal surface)：在同一时刻，物体内温度相同的点连成的面即为等温面。
2．等温线(isotherms)：用一个平面与等温面相截，所得的交线称为等温线。
为了直观地表示出物体内部的温度分布，可采用图示法，标绘出物体中的等温面（线）。
导热基本定律及稳态导热-讲义
a
热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分 温度趋向于均匀一致的能力
4-5 一维稳态导热
一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平
板和圆柱内的导热。
t t t t c ( ) ( ) ( ) qv x x y y z z
多维导热问题：首先获得温度场的分布函数 ，然后根据傅立叶定律求得空间各点的热流 密度矢量。
15
导热微分方程
定义：根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中 的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。 导热微分方程的数学表达式 ： 导热微分方程的推导，假定导热物体是各向同性的。
理论基础：能量守恒定律与傅立叶定律
2
t t1 x t2 o
34
dt 直接积分，得： c1 t c1 x c2 dx
带入边界条件
t2 t1 c1 c2 t1
t2 t1 t x t1 带入Fourier 定律 dt t2 t1 dx
t ~ A x
数学表达式：
t A x
8
负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向
傅里叶定律用热流密度表示：
t q x
（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）
其中
q
——热流密度(单位时间内通过单位
面积的热流量) t ——物体温度沿 x 轴方向的变化率 x
9
2.温度梯度（Temperature gradient）
16
▲ 导热微分方程式
通过空间任一点任一 方向的热流量也可分 解为 x 、 y 、 z 坐 标方向的分热流量。
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：
热传导的原理和实验演示教案
热传导的原理和实验演示教案。
一、热传导的原理热传导的原理基于热量的能量传递。
当物体中有温度差时，热会从高温物质流向低温物质。
这个过程是通过物质的内部传导进行的。
也就是说，在高温物质的分子运动速度更快，所以能量的传递也会更快，最终能量会从高温物质传递到低温物质，直至两者的温度平衡。
热传导的速度受到多种因素的影响，其中最重要的是温度差，材料的热导率和材料的厚度。
温度差越大，热传导的速度也会越快。
材料的热导率指的是材料传导热量的能力，热导率越高，材料的热传导也就越快。
材料的厚度也会影响热传导的速度，普遍来说，厚度越薄，热传导的速度也会更快。
二、热传导的实验演示教案1、实验名称：探究不同材料的热传导速度目的：通过实验，了解不同材料的热传导速度，并对比它们之间的差异。
实验材料：-热水-金属盒子（可用铝材或铜材制作）-木盒子-塑料盒子-测温尺-计时器实验步骤：1.将热水倒入三个不同大小的金属、木材和塑料盒子中，盒子内都有相同量的热水。
2.用测温尺测量每个盒子内的热水温度，并标记下来。
3.使用计时器开启计时器，并记录每组测量的时间。
4.在一定时间后，使用测温尺再次测量每个盒子的温度，并记录下来。
5.将不同盒子内的温度差计算出来，并比较它们之间的差异。
分析结果：通过上述实验，你可以得到每个盒子内热传导速度的数据，并且比较不同材料之间的差异。
同样大小和形状的金属、木材和塑料盒子之间的热传导速度会有所不同，因为它们的热导率是不同的。
2、实验名称：探究不同物体内部的热传导速度目的：通过实验，探究不同物体内部的热传导速度，并对比不同物体之间的差异。
实验材料：-热水-铁球-铜球-玻璃球-测温尺-计时器实验步骤：1.将每个球体与相同温度的热水置于同一环境中。
2.用测温尺测量每个球体中心的温度，并记录下来。
3.使用计时器开启计时器，并记录每组测量的时间。
4.在一定时间后，再次使用测温尺测量每个球体中心的温度，并记录下来。
5.将不同球体内的温度差计算出来，并比较它们之间的差异。
稳态法测量不良导体的导热系数讲义
S
找稳态？
接通电源，打开主机底部小风扇，
形成稳定的散热环境，将加热盘供电电
压调到220V，加热10分钟，将加热盘供
电电压调到110V，然后5分钟记录一组样
品上下表面温度，若在10分钟内，样品 上下表面温度不变，则样品达到稳态，
记录（TA，TP ）。
6
怎样测温 度？
—热电偶测温原理：
热电偶是利用温差电效应
部分面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的 关系为：
S S侧 Q T mc t TP t TP 2 S S 侧
不良导体 B 的热导率为：
hB 1 ΔT D 4hp κ 2mc 2 Δ t TP D 2 h p T A T P π D
15
3
实验原理
一 热传导遵循的基本规律——傅立叶定律：
Q dT κ S t d x x0
传热速率ΔQ/Δt 与该平面所在 处的温度梯度成正比，与平面面 积ΔS 成正比。
热传导
注：该公式稳态法测量样品热导率的原理公式
二
稳态法测不良导体的热导率：
原理公式：
Q dT κ S t d x x0
12
基本要求
一、数据记录
样品尺寸（见实验台标签） 稳态时加热盘 TA=_____，散热盘 TP=_____ 散热盘冷却过程 1 t(s)
•αT（mv）
2
3
4
5
6
7
8
……
13
二、数据处理
1．在坐标纸上绘制散热盘的冷却曲线（T～t 曲线），根据作图法求出散热盘的冷却速率。 2．计算橡皮的热导率κ。
14
02-热传导-PPT
⑤ 一维稳态导热问题
稳态导热过程：物体中各点温度不随时间改变。
tw1
A tw1 tw2
：热流量，单位时间传递的热量 [W]；
A：垂直于导热方向的截面积 ,即平壁表面积 [m2]； ：导热系数（热导率）[W/( m·K)]。
q Φ tw1 tw2
A
q：热流密度，单位时间通过单位面积的热流量[W/m2]
热传导
热传导
热传导，简称导热 (heat conduction)
①定义
在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观 粒子的热运动而产生的热量传递现象。
②导热：可以在固体、静止的液体和气体中发生
③导热的特点
物体直接接触 (或物体内部 )
必须有温差 不发生宏观的相对位移
温度：物体微观粒子热运动强度的 宏观标志。
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动 (位移、振动) 或碰撞而传 递热量。
2
热传导 ④导热机理
气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果 导电固体：自由电子运动 非导电固体：晶格结构振动 液体：两种观点，气体或非导电固体导热的机理
3
热传导
qx、qy、qz，q在三个坐标方向的分量
dA q
d
热传导
，热导率(导热系数) (Thermal conductivity)
表征材料导热能力的大小，是一种物性参数。 与材料种类和温度有关，一般由实验测定。
A tw1 tw2
金属 非金属固体 液体 气体
q
tw1
tw2
A
tw1
I U R
tw1
导热实验：通过不同材料的导热性测试,研究物体的导热性能和传导规律
实践建议
定期校正仪器 重视实验环境控制 提高操作规范性
91%
误差校正效果评价
提高实验数 据准确性
确保实验结果的 科学性
指导今后实 验工作
总结经验教训
91%
强化实验过 程管理
提高实验质量
● 06
第6章 导热实验总结
实验成果回顾
在导热实验中，通过 不同材料的导热性测 试，我们获得了丰富 的实验数据和结果。 实验设计合理，操作 规范，数据处理准确， 结果分析详尽。通过 实验，我们发现了不 同材料的导热性能差 异，深入研究了导热 规律，为相关领域的 研究提供了重要参考。
导热实验：探索材料的传热 之谜
汇报人：XX
2024年X月
第1章 导热实验简介 第2章 导热实验材料准备 第3章 横向传导实验 第4章 纵向传导实验 第5章 实验误差分析与校正 第6章 导热实验总结
目录
● 01
第1章 导热实验简介
导热实验的定义和意义
测试材料导 热性能
通过实验方法测 试不同材料的导
03 数据需求
获得导热系数等参数
实验步骤和操作要点
控制实验参 数
准确控制材料厚 度、温度差、时
间
数据分析
处理实验数据， 得出结论
91%
记录数据
及时记录数据， 确保结果准确性
实验数据处理和分析
数据处理
整理数据 计算导热系数
数据分析
评估材料热传导特性 推测导热规律
91%
实验结果展示和 讨论
实验结果展示包括图 表和数据分析，通过 对不同材料的导热性 能差异进行讨论，进 一步探讨实验误差及 改进方向。结合实验 结果和理论知识，深 入探讨材料的导热性 能和传热规律。
物体的导热实验报告
一、实验目的1. 了解物体导热的基本原理和方法；2. 掌握稳态法测定物体的导热系数；3. 比较不同材料的导热性能。
二、实验原理物体导热是指热量在物体内部从高温区域向低温区域传递的过程。
根据傅里叶导热定律，热量在物体内部传递的速率与物体内部的温度梯度成正比，与物体的导热系数成正比，与物体内部的热流方向垂直的面积成正比。
稳态法测定物体的导热系数是通过维持物体内部的温度梯度恒定，测量单位时间内通过单位面积的热量，从而计算出导热系数。
实验过程中，需要确保物体内部达到稳态，即物体内部各点的温度不再随时间变化。
三、实验仪器1. 导热系数测定仪；2. 数字毫伏表；3. 待测样品（金属、非金属、复合材料等）；4. 冰水混合物；5. 热电偶；6. 秒表；7. 游标卡尺；8. 研究员。
四、实验步骤1. 将待测样品放置在导热系数测定仪的样品架上，确保样品与测定仪的接触良好；2. 将热电偶分别插入样品的上、下表面，并连接到数字毫伏表；3. 将数字毫伏表调零，确保测量精度；4. 将样品放入冰水混合物中，待样品温度稳定后，记录样品的上、下表面温度；5. 打开导热系数测定仪，调整加热功率，使样品内部达到稳态；6. 当样品内部达到稳态后，记录样品的上、下表面温度；7. 根据傅里叶导热定律，计算出样品的导热系数；8. 重复步骤4-7，分别测量不同材料的导热系数；9. 比较不同材料的导热性能。
五、实验结果与分析1. 样品A（金属）的导热系数为0.3 W/(m·K)，样品B（非金属）的导热系数为0.2 W/(m·K)，样品C（复合材料）的导热系数为0.1 W/(m·K)；2. 通过比较不同材料的导热系数，可以发现金属的导热性能最好，非金属次之，复合材料最差。
六、实验结论1. 通过稳态法测定物体的导热系数，可以有效地了解物体的导热性能；2. 金属的导热性能最好，非金属次之，复合材料最差；3. 在实际工程应用中，根据需求选择合适的材料，以提高导热性能。
导热与传热实验教案
导热与传热实验教案实验目的：通过导热与传热实验，加深学生对导热和传热原理的理解，培养学生的实验操作能力和数据处理能力。
实验原理：导热是指热量从高温物体自动传递到低温物体的过程。
传热是指热量在物体中的传递过程，可以包括传导、对流和辐射。
实验器材与试剂：1. 导热实验仪器：导热板、热电偶、温度计、电源、电压表、电流表等；2. 导热实验样品：金属棒、塑料棒等；3. 其他辅助器材：计时器、实验台、尺子等；实验步骤：1. 实验前的准备工作：a. 检查实验器材是否齐全，确保实验仪器和电源正常工作；b. 准备实验样品，根据实验要求选择合适的导热样品；c. 将实验台平整放置，确保实验环境整洁。
2. 实验一：导热实验的基本原理探究a. 将导热板置于实验台上，并将其调至水平状态；b. 将热电偶放置于导热板上，并与温度计连接；c. 打开电源，调节电压和电流大小；d. 记录实验开始时的温度，并开始计时；e. 每隔一定时间（如30秒），记录一次温度值，直至温度趋于稳定；f. 根据温度的变化情况，分析导热板的导热性能，并绘制温度-时间曲线。
3. 实验二：比较不同导热样品的导热性能a. 准备两根不同导热材料的棒状样品，确保长度、直径一致；b. 将两根导热样品分别置于实验台上，并将热电偶放置在样品的中心位置；c. 打开电源，调节电压和电流大小；d. 记录实验开始时的温度，并开始计时；e. 每隔一定时间（如30秒），记录一次温度值，直至温度趋于稳定；f. 对两个样品进行温度的比较，分析不同导热样品的导热性能。
4. 实验三：传热实验的基本原理探究a. 将一个容器装满热水，使其温度达到一定值；b. 将一个较冷的容器（可为玻璃杯）放置在热水中，隔一段时间记录一次温度；c. 分析温度的变化情况，讨论对流传热的原理。
5. 实验四：辐射传热实验a. 准备一个黑色物体和一个白色物体；b. 将两个物体同时放置在强光源下；c. 测量两个物体的表面温度，并分析温度的变化情况；d. 讨论辐射传热的特点和原理。
第二节__导热精品PPT课件
dt dr
r1 r
t1
r2
t2
由傅立叶定律得
Q S dt
dn
Q 2rL dt
dr
Q 1 dr 2Ldt
r
Q r2 r1
1dr r
2L
t2
t1
dt
Q 2L t1 t2
ln r2 r1
第二节 导热
例3—3 某炼油厂管式加热炉辐射式的炉管为Φ127×8钢管，
炉管外壁温度为400℃，若辐射管外表面单位时间单位面积传热量
第二节 导热
四、多层平面壁的导热
依据单层平面壁导热速率方程可计
算每一层导热速率。
S
t1
t2
t3
t4
λ1 λ2 λ3
δ1 δ2 δ3
由于是稳定传热过程，所以通过每一 Q
层所传递的热量相等。即Q1=Q2=Q3=Q
第一层
Q
1 1
S
t1
t2
Q
1 1 S
t1
t2
…1
第二层
Q
2 2
S
t2
t3
Q
2 2 S
564 C
第二节 导热
五、单层圆筒壁的导热
沿传热方向传热面积在不断的发生变化，在
计算过程中可以取平均面积进行计算。由单层平
面壁计算式子得：
L
Q
Sm
t1
t2
……1
r1
r2
Sm
S外 S内 ln S外 S内
2r2L 2r1L ln 2r2L 2r1L
2Lr2 r1
ln r2 r1
…2
t1
r2 r1 ……3
3、物质导热系数大小比较： 纯金属的导热系数最大，合金次之，固体非金属的导热系数 较小，液体导热系数更小，而气体的导热系数最小。
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q grad T
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） ， 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 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 1 K 1 。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
(T T2 ) Q S 1 (1) t B稳态 hB Q 式中 为热流量， 即为该物质的导热系数（又称作热导 t
率） ， 单位时间内通过待测样品 B 任一圆截面的热流量为： 若样品盘 B 做成圆盘， 其半径为 RB ， 由式 （1） 可以知 道，
T1 hB T2
发热盘 A 热 流 样品盘 B 散热盘 C
Q t
。
C散热
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。
【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 散热盘和样品盘的几何参数（散热盘 C 质量 m =
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
T t
T T2
,散热盘 C
Q T mc t C 散热 t T T2
式(4)中 m 是散热盘的质量，c 是散热盘的比热。
（4）
1
但要注意，这样求出的
2
T 是 C 盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面 t
积为 2 RC 2 RC hC （其中 RC 与hC 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 RC ）是被样品覆盖着的，根据物体的冷
mc
【实验仪器】
RC 2hC hB 1 T 2 t 2 RC 2hC T1 T2 RB
（6）
TC-3B 型导热系数测定仪，游标卡尺，胶木盘，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 图 2 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪 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。
2
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：
Q t
mc
C散热
2 π RC 2π RC hC T 2 t 2π RC 2π RC hC
（5）
将式（5）代入式（2） ，得：
图 3 PID 温度控制器面板布置图
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。
【参考文献】
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
5.根据数据表 3 的数据，计算散热盘 C 稳态时在 T2 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.作 A 盘和 C 盘的升温曲线，并解释热传导的规律。 7.分析误差的原因。
【注意事项】
1．铂电阻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 C 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。
3
2．数据表 1 ：
g)
3
测量次数 散热盘 C DC(cm) HC(cm) 样品盘 B DB(cm) hB(cm)
1
2
3
4
5
3．数据表 2：观测升温过程和稳态温度记录（ T1 测量次数
℃， T2
℃）
TA(℃) TC(℃)
… …
4．数据表 3： 散热盘冷却速率测量 （每隔 30 秒测一次）
测量次数 时间 t(s) 温度 T(℃)
【实验原理】
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：
系数，该法设计思路清晰、简捷，具有典型性和实用性。 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 T1 , T2 ， （ T1 T2 ） ，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 hB 、面积均为 S ，当热传导达到稳定状态时， 即 T1 和 T2 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：
4
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 T2 的数值在数 分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。
【思考题】
如何利用本实验仪器测量空气的导热系数？
பைடு நூலகம்
【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。
5
2
【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盘 B 的直径和厚度，各测 5 次。 2．用游标卡尺测量散热盘 C 的直径和厚度，各测 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 分钟记下发热铝盘 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（大约需要加热半个小时左 右） ，这时再每隔 2 分钟测量并记录 T1 和 T2 的值，测 5 组，该 5 组数据的平均值作为其稳 态温度。 5.散热速率的测量：在读得稳态时的 T1 和 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