不良导体导热系数测定实验
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一、 开篇设问
（一） 预备问题
1．样品的导热系数大小与温度有什么关系？ 2．样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？ （二）学生容易出错的问题 1．测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度θ20 附近选值？
（三）课后要思考的问题或扩展问题。
1．分析本实验中的主要误差来源？
2．个别仪器的温度计存在的测量误差（并且假定 我们无法对温度计进行调整），这一误差会影响 导热系数的测量精度，对此你有什么好的解决办 法吗？请提出你的方案。
4．实验过程中Pt100金属部分不要裸露在外，且插 入深度要一致，否则影响测温精度。
5．实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行， 否则将影响控温效果。 6．测定仪面板上有0～220V加热电源，连接和分开 加热电源线时均应先关闭电源总开关，以防触电。
小心有电！
五、实验内容
（一）基本实验内容和实验操作程序 1、测量样品及散热铜盘的尺寸； 2、设置温度参数，安装仪器，置放温度传感器； 加热盘温度
四、实验仪器
（一） 实验仪器
1．THQDC-1型导热系数测定仪。
2．游标卡尺。 3．天平
4．镊子
THQDC-1
数
测 定型 仪导
热
系
（二） 注意事项。
1．加热盘温度设定值不得高于110℃，实验时应随时 观察加热盘温度变化。 2．实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘， 以防烫伤。
3．PID智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验 时可以修改加热盘温度设定值SV，修改其它参数时应 谨慎，否则影响控温效果。
当散热黄铜处在稳定系统之中时，其冷却率不方便测
量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应
的冷却率我们不妨记为
，根据散热率也
t 2 20
即冷却率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系
式成立：
t2 20 t2 2
R 222R 2h 2 0 2R 222R 2h 2
二、背景介绍
（一）导热系数及其稳态法测量
热量传递的三种途径：热传导、热对流、以及热辐射。
热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。 从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波 作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部 存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。
导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物 体称为不良热导体。
定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，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。
导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋 设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研 究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构 等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。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。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。
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。非稳态法则是指在 测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律 不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有 关。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。
6、整理仪器。
（二）对实验数据处理的要求 1．在散热盘温度随时间变化的数据中选择θ20附近10组 数据，用逐差法处理实验数据，计算散热盘冷却速率 ， 进而 利用（4）式计算待测样品导热系数λ。
2．计算不确定度，并给出完整的结果表述。 （三）扩展内容
三、实验原理
加热盘
热流
样品盘
散热盘
温度1 温度2
图一 导热系数实验装置示意图
当如图一所示的系统达成热平衡时，通过待测样品的传热 率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同，即有
Q
q
（ （1）
t 110 t 2201
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是黄铜盘散热率。
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） 式右边可以写为：
q
mc
t 220
t 220
（3）
式(3)中m是散热黄铜的质wk.baidu.com，c是黄铜比热。
这样，只要测出散热黄铜的冷却率
t
，就可以联
2 20
立（1）、（2）及（3）式而得出导热系数λ，但是，
于是我们可以进一步得出导热系数λ的表示式为：
m tc 2 2 0 2 R R 2 2 2 2 h h 2 2 1h 1 02 0 R 1 1 2
（4）
本实验在散热环节散热盘上面未覆盖样品，有些教 科书要求覆盖样品，所得公式与此不同。
设定的温度
可以通过右边的三个 按键设置加热盘温度
注意测温元件 PT100的插
法
3、打开加热开关加热，等待稳定状态到来； 此过程需要耐心，等真正稳定了才进行测量，对 于所测温度存在小幅波动的情况，可在一段时间 测量多组数据进行平均。
4、记录达到稳定时，样品上下表面的温度；
5、去掉样品后，让散热铜 盘在稳定温度 θ20的基础上 升温若干度，然后让其在空 气中自然冷却，记录其温度 随时间降低的数据（每30秒 记录一次）。
（二）实验目的 1．掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。 2. 了解物体散热速率和传热速率的关系。
（三）科学家简介
傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier， 1768～1830）,法国数学家、物理学家。 1768年3月21日生于法国中部欧塞尔一 个裁缝家庭，1830年5月16日卒于巴黎。 9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁 由一主教送入地方军事学校读书。17岁 回乡教数学，1794到巴黎，成为高等 师范学校的首批学员， 次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任 军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长 官。由于对热传导理论的贡献于1817年当选为科学院院士， 1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科 大学校务委员会主席。主要贡献是在研究热的传播时创立了一 套数学理论。
（一） 预备问题
1．样品的导热系数大小与温度有什么关系？ 2．样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？ （二）学生容易出错的问题 1．测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度θ20 附近选值？
（三）课后要思考的问题或扩展问题。
1．分析本实验中的主要误差来源？
2．个别仪器的温度计存在的测量误差（并且假定 我们无法对温度计进行调整），这一误差会影响 导热系数的测量精度，对此你有什么好的解决办 法吗？请提出你的方案。
4．实验过程中Pt100金属部分不要裸露在外，且插 入深度要一致，否则影响测温精度。
5．实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行， 否则将影响控温效果。 6．测定仪面板上有0～220V加热电源，连接和分开 加热电源线时均应先关闭电源总开关，以防触电。
小心有电！
五、实验内容
（一）基本实验内容和实验操作程序 1、测量样品及散热铜盘的尺寸； 2、设置温度参数，安装仪器，置放温度传感器； 加热盘温度
四、实验仪器
（一） 实验仪器
1．THQDC-1型导热系数测定仪。
2．游标卡尺。 3．天平
4．镊子
THQDC-1
数
测 定型 仪导
热
系
（二） 注意事项。
1．加热盘温度设定值不得高于110℃，实验时应随时 观察加热盘温度变化。 2．实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘， 以防烫伤。
3．PID智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验 时可以修改加热盘温度设定值SV，修改其它参数时应 谨慎，否则影响控温效果。
当散热黄铜处在稳定系统之中时，其冷却率不方便测
量，必须将它独立放在空气中才可以测量，这时相应
的冷却率我们不妨记为
，根据散热率也
t 2 20
即冷却率与表面积成正比的规律，可以有如下的关系
式成立：
t2 20 t2 2
R 222R 2h 2 0 2R 222R 2h 2
二、背景介绍
（一）导热系数及其稳态法测量
热量传递的三种途径：热传导、热对流、以及热辐射。
热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换的过程。 从微观上说，热传导或者说导热过程是以自由电子或晶格振动波 作为载体进行热量交换的过程；从宏观上说，它是由于物体内部 存在温度梯度，而发生从高温部分向低温部分传递热量的过程。
导热性能较好的物体称为良热导体，导热性能较差的物 体称为不良热导体。
定量描述物体导热性能的物理量是导热系数，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。
导热系数是描述材料性能的一个重要参数，在锅炉制造、房屋 设计、冰箱生产等工程实践中都要涉及这个参数，而且通过研 究物质的导热系数，还可以进一步了解物质组成及其内部结构 等。所以，导热系数的研究和测定有着重要的实际意义。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。其测量方法大致上有稳态法和非稳态法两类。
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。非稳态法则是指在 测量过程中样品内部的温度分布是变化的，变化规律 不仅受实验条件的影响，还与待测样品的导热系数有 关。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。
6、整理仪器。
（二）对实验数据处理的要求 1．在散热盘温度随时间变化的数据中选择θ20附近10组 数据，用逐差法处理实验数据，计算散热盘冷却速率 ， 进而 利用（4）式计算待测样品导热系数λ。
2．计算不确定度，并给出完整的结果表述。 （三）扩展内容
三、实验原理
加热盘
热流
样品盘
散热盘
温度1 温度2
图一 导热系数实验装置示意图
当如图一所示的系统达成热平衡时，通过待测样品的传热 率和散热黄铜盘向侧面和下面的散热率相同，即有
Q
q
（ （1）
t 110 t 2201
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是黄铜盘散热率。
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） 式右边可以写为：
q
mc
t 220
t 220
（3）
式(3)中m是散热黄铜的质wk.baidu.com，c是黄铜比热。
这样，只要测出散热黄铜的冷却率
t
，就可以联
2 20
立（1）、（2）及（3）式而得出导热系数λ，但是，
于是我们可以进一步得出导热系数λ的表示式为：
m tc 2 2 0 2 R R 2 2 2 2 h h 2 2 1h 1 02 0 R 1 1 2
（4）
本实验在散热环节散热盘上面未覆盖样品，有些教 科书要求覆盖样品，所得公式与此不同。
设定的温度
可以通过右边的三个 按键设置加热盘温度
注意测温元件 PT100的插
法
3、打开加热开关加热，等待稳定状态到来； 此过程需要耐心，等真正稳定了才进行测量，对 于所测温度存在小幅波动的情况，可在一段时间 测量多组数据进行平均。
4、记录达到稳定时，样品上下表面的温度；
5、去掉样品后，让散热铜 盘在稳定温度 θ20的基础上 升温若干度，然后让其在空 气中自然冷却，记录其温度 随时间降低的数据（每30秒 记录一次）。
（二）实验目的 1．掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法。 2. 了解物体散热速率和传热速率的关系。
（三）科学家简介
傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier， 1768～1830）,法国数学家、物理学家。 1768年3月21日生于法国中部欧塞尔一 个裁缝家庭，1830年5月16日卒于巴黎。 9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁 由一主教送入地方军事学校读书。17岁 回乡教数学，1794到巴黎，成为高等 师范学校的首批学员， 次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任 军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长 官。由于对热传导理论的贡献于1817年当选为科学院院士， 1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科 大学校务委员会主席。主要贡献是在研究热的传播时创立了一 套数学理论。