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。

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&闵，根据傅立叶传导方程，在山时间内通过样品的热量△。满足下式：山心(1) 式中久为样品的导热系数，他为样品的厚度，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心，则半径为心，则由(1)式得：

些=3叭2

△7 心(9 )

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。

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度G 和&2不变，这时可以认为加 热盘

C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等，因此可以通过

散热盘P 在稳定温度2时的散热速率来求出热流量△/。

实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度G 和°2后，将样品B 抽去，让加 热盘

C 与散热盘P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的◎值20°C 或者20°C 以上后，

移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度&随时间t

△0

的下降情况，求出散热盘在$时的冷却速率”&临，则散热盘P 在$时的散热速 率为：

---- =me ------- A 金

△/ △/ 5 (3) 其中m 为散热盘P 的质量，C 为其比热容。

在达到稳态的过程中，P 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与

它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正:

△0 △& ----- =me —— △r

Ar

+2;iiiphp) f Q 欣p2 +2冰php)

(4)

其中忌为散热盘P 的半径，心为其厚度。由(2)式和(4)式可得: 所以样品的导热系数久为：

兰(心+2心)心 1 △/ r (2R P + 2/ip ) (q - q)冰/

△8

=me ——

△/

(冰P ~ + IrtRphp)

+2叭如)