导热系数的测量实验报告

导热系数的测量

导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，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。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。一．实验目的

1．用稳态平板法测量材料的导热系数。

2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。

二．实验原理

热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。

单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量，我们设法将这

个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为：

当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，在稳态温度T2下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一

步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与

此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率这样，只要测量低温侧铜板

冷却速率（温度变化率）dQ/dt二-mcdT/dt式中的m为铜板的质量，C为铜板的比热容，负号表示

热量向低温方向传递。由于质量容易直接测量，C为常量，这样

对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温

度高于稳态温度T2 （大约高出10 C左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T —t曲线（见图2 ），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。

应该注意的是，这样得出的—是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热

t

面积为2 n Rp2+2n Rphp （其中Rp和hp分别是下铜板的半径和厚度），然而，设样品截面半径为R,在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为n Rp2）是被样品全部（R=Rp或部分（R

将上式代入热传导定律表达式，考虑到ds= n R2,可以得到导热系数：

式中的R为样品的半径、h为样品的高度、m为下铜板的质量、c为铜的比热容、

Rp和hp分别是下铜板的半径和厚度。各项均为常量或直接易测量。

三.主要实验仪器

TC- 3B型导热系数测试仪，测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板、空气等）、游标卡

尺等。

四•实验内容

不良导体导热系数的测量

(1)用游标卡尺测量样品、下铜盘的几何尺寸，

5次测量取平均值。

(2)设定一个加热温度。

(3)先放置好待测样品及下铜盘(散热盘) ，调节下圆盘托架上的三个微调螺丝，使待测样品与上、下铜盘接触良好。

(4)将集成温度传感器插入散热盘P侧面的小孔中，并将集成温度传感器接线连接到仪器面板的传感器插座。为了保证温度测量的准确性，采用同一个温度传感器测温，在需要测量发热盘A和散热盘P时手动调节测温对象。

(5)记录稳态时T1、T2值后，移去样品，继续对下铜盘加热，当下铜盘温度比T2 (对金属样品应为T3 )高出5C左右时，移去圆筒，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜盘自然冷却，每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录。根据测

量值求出—。

t

金属导热系数的测量

(1)将金属铝棒至于发热盘和散热盘之间。

(2)当发热盘与散热盘达到稳定温度时，记录上下两面温度。此时散热盘温度为

T3，重复之前步骤测量该温度下的散热速率。

(3)此时热导系数为：

空气的导热系数的测量

调节三个螺栓，使发热盘也散热盘平行，它们之间的距离为h，用塞尺测量它们

之间的距离。此距离即为空气层的厚度(注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。)

五.实验数据及处理

(1) 不良导体导热系数的测量

散热盘P M=658g

样品

T2二C T1= C

由以上数据可得散热盘半径R1 =

待测样品半径为R2=

(2) 金属导热系数的测量

T1二C T2= C T3= C

(3) 空气的导热系数的测量h= T1= C T2= C

六.实验结论及误差分析

【参考文献】

[1]周殿清，张文炳，冯辉基础物理实验[M].北京：科学出版社，2009