YBF-2导热系数测定仪讲义

YBF-2型导热系数测试仪

（实验指导书）

杭州大华仪器制造有限公司

YBF—2 导热系数测试仪

【实验目的】

1．掌握热电偶温度计定标

2．利用物体的散热速率求传热速率

（用稳态平板法测定不良导体的导热系数）

【仪器用具】

1．测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表及PID控制表）一台

2．保温杯（或DH-TD低温实验仪）一只/台

3．硬铝样品一根

4．橡皮样品一块

5．陶瓷样品一根

6．牛筋样品一块

7．绝缘圆盘一块

8．测片一把

【实验内容】

一．对铜—康铜热电偶温度计定标。

二．测量物体在室温～100℃多点的导热系数，画出曲线。

1．测量不良导体的导热系数。本仪器附橡皮、陶瓷、牛筋等样品供教学测试用。2．测量金属的导热系数。本仪器附有硬铝测试样品。

3．测量空气的导热系数。

【结构特性】

（实验装置装配见装配图）

在使用中，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导热系数时，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。

【测量范围、精度】

1．PID控制：精度±1℃；最小分辨率0.1℃

2．温度测量部分：室温0～110℃；测量精度：±1℃；温差测量的精度0.5℃

3．计时部分：范围0～100 min；最小分辨率1S；精度：10-5

4．电压表：精度0.1%

【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。当温度的变化只是沿着一个方向(设Z 方向)进行的时候，热传导的基本公式可写为：

(2-9-1) 它表示在dt 时间内通过ds 面的热量为d Q ，dT/dz 温度梯度，λ为导热系数，它的大小由物体本身的物理性质决定,单位为w/(m •k)，它是表征物质导热性能大小的物理量,式中负号表示热量传递向着降低的方向进行。

在图1中，B 为待测物，它的上下表面分别和上下铜盘接触，热量由高温铜盘A 通过待测物B 向低温铜盘传递，若B 很薄，则通过B 侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量沿着垂直待测圆板B 的方向传递。那么，在稳定导热（即温度场中各点的温度不随时间而变）的情况下，在Δt 时间内，通过面积为S 、厚度为h 的匀质板的热量为:

(2-9-2) △ T 表示匀质圆板两板面的恒定温差。若把（2-9-2）式写成: (2-9-3)

的形式。那么△Q/△t ，便为待测物的导热速率。只要知道了导热速率，由（2-9-3）式

即可求出λ。下面我们来求△Q/△t 。

实验中，使上铜盘A 和下铜盘P 分别达到恒定温度T 1、T 2，并设T 1>T 2。即热量由上而下传递，通过下铜盘P 向周围散热。因为T 1和T 2不变，所以，通过B 的热量就等于P 向周围散发的热量，即B 的导热速率等于P 的散热速率。因此，只要求出了P 在温度T 2时的散热速率，就求出了B 的导热速率△Q/△t 。

因为P 的上表面和B 的下表面接触，所以P 的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为S 部。而实验中冷却曲线P 是全部裸露于空气中测出来的，即在P 的下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。设其全部表面积为S 全，根据散热速率与散热面积成正比的关系得

(2-9-4)

A

B

dt

ds dz

dT dQ Z ⋅-=0)(λt S h T

Q ∆⋅∆-=∆λS h T t Q ∆-=∆∆λ全部全部S S t Q t Q =⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆

式中：（△Q/△t ）部为S 部面积的散热速率；（△Q/△t ）全 为S 全面积的散热速率。而散热速率（△Q/△t ）部就等于（2-9-3）式中的导热速率△Q/△t,这样（2-9-3）式便可写作：

(2-9-5)

设下铜盘直径为D ，厚度为δ，那么有：

(2-9-6) 由比热容的基本定义C=ΔQ/m ·ΔT ′,得ΔQ=cm ΔT ′,故 (2-9-7)

将（2-9-6）、（2-9-7）两式代入（2-9-4）式，得： (2-9-8)

将（2-9-8）式代入（2-9-5）式得：

(2-9-9)

式中：

m ——下铜盘的质量 c ——下铜盘的比热容

【实验步骤】

1． 用游标卡尺多次测量下铜盘的直径D 、厚度δ和待测物厚度L ，然后取平均值。下铜

盘的质量m 由天平称出，其比热容C=3.805*102 J/кg •℃

2． 安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中（或直接接低温实验仪提供冷端的热电偶，并使温度控制在0℃） 3． 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，可先将电源电压打到高档，加热约20分钟后再打至低档。然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内（如10分钟）样品上、下表面温度T 1、T 2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时T 1、T 2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比T 2高出10℃左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近的T 2测量数据来求出冷却速率。

在采用PID 自动控温时，可连续在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃时并使得在各点 T 1、T 2值稳定不变（准稳定状态）。记录稳态时各温点T 1、T 2值后。照上述方法移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔10～20秒读一次下铜盘的温度示值，并求50℃、

S h T t Q ∙∆-=⎪⎭

⎫

⎝⎛∆∆λ部δ

π+⎪⎭

⎫

⎝⎛π=δ

π+⎪⎭

⎫

⎝⎛π=D 2D 2S D 2D S 2

2

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⎝⎛∆∆部()()()δ+-πδ+-=λ2D T T D 21

4D cmKh 2122

T T t T

K =∆∆=