导热系数测定

1、实验一固体导热系数的测量 一、实验目的 用稳态法测定出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。 二、实验器材 TC-3型热导率测定仪、橡胶样品、游标卡尺、冰水、硅油、TW-1型物理天 平。 本实验采用杭州富阳精科仪器有限公司生产的型导热系数测定仪，如图 5.4.1 所示。该仪器采用低于的隔离电压作为加热电源，安全可靠。发热圆盘和 散热圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘放在三个螺旋头上，调 节螺旋头可使待测样品盘 B的上下两个表面与发热圆盘 A和散热圆盘P紧密接 触。散热盘下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。 两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。热端分 别插入发

2、热圆盘A和散热圆盘P的侧面小孔内。冷、热端插入时，涂少量的硅 脂，热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内。温差电动势用量 程为的数字式电压表测量，根据铜 康铜分度表可将温差电动势转换成对应的 温度值（附录 1 ）。 仪器设置了数字计时装置，计时范围，分辩率。设置了自动温度控制装 置，控制精度，分辨率，供实验时加热温度控制用。 图541 TC-3型热导系数测定仪 三、实验原理 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等 因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过实 验来具体测定。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

3、态法，另一类为动态法。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布，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。 根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间 相距为h、温度分别为，的平行平面（设）。若平面面积均为，在时间内通过 面积的热量满足式 （ 1）， （5.4.1） 式中为热流量，入即为该物质的热导率（又称作导热系数），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。 实验中待测样品盘B两个表面与发热盘 A、散放盘P

4、紧密接触，发热器通电后，热量从 A盘传到盘，再传到P盘。 由于，盘都是良导体，其温度即可以代表盘上、下表面的温度，。，分别由插 入，盘边缘小孔热电偶来测量。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，切换、盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。 由式（ 5.4.1）可以知道，单位时间内通过待测样品任一圆截面的热流量为 （5.42） 式中为样品的半径，为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时，和的值不 变，于是通过盘上表面的热流量与由铜盘向周围环境散热的速率相等，因此， 可通过铜盘在稳定温度时的散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的 和后，即可将盘移去，而使盘的底面与铜

5、盘直接接触。当盘的温度上升到高于 稳定时的值若干摄氏度后，再将圆盘移开，让铜盘自然冷却。观察其温度T随 时间变化情况，然后由此求出铜盘在的冷却速率 ,而（ 5.4.3） 式中： 为紫铜盘的质量 ,为铜材的比热容，（ 5.4.3）式就是紫铜盘在温度为时的散 热速率。但要注意，这样求出的是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速 率，其散热表面积为（其中分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试 样品的稳态传热时，盘的上表面（面积为）是被样品覆盖着的。考虑到物体的 冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修 正： （ 5.4.4） 将式（ 5.4.4）代入式（ 5.4.2），

6、得： （ 5.4.5） 四、实验内容及步骤 在测量导热系数前应先对散热盘和待测样品的直径、厚度进行测量。 1、用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测 5 次。 2、用游标卡尺测量散热盘的直径和厚度，测 5 次，按平均值计算盘的质 量。用天平称出盘的质量。 不良导体导热系数的测量 a. 实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片）放在散热盘上面，然后将发热 盘放在样品盘上方，并用固定螺母固定在机架上，再调节三个螺旋头，使样品 盘的上下两个表面与发热盘和散热盘紧密接触。 b. 在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端（黑色）插入杜瓦瓶中。将 热电偶的热端（红色）分别插入加热盘和散热盘侧面的小孔中，并分别

7、将其插 入加热盘和散热盘的热电偶接线连接到仪器面板的传感器 I、 H上。分别用专 用导线将仪器机箱后部分与加热组件圆铝板上的插座间加以连接。 c. 接通电源，在 温度控制”仪表上设置加温的上限温度为100C （具体操作 见附录3）。将加热选择开关由 断”打向“Z3”任意一档，此时指示灯亮，当打 向“3档”时，加温速度最快。当传感器 I 的温度读数为时，可将开关打向 “2或”“1 档，降低加热电压。 d. 当传感器I、H的读数不再上升时，说明已达到稳态，每隔 5分钟记录和 的值。 e. 在实验中，如果需要掌握用直流电位差计和热电偶来测量温度的内容，可 将“传感器切换 ”开关转至 “外接”，在“外

8、接”两接线柱上接上型直流电位差计的 “未知”端，即可测量散热铜盘上热电偶在温度变化时所产生的电势差（具体操 作方法见附录 2） f. 测量散热盘在稳态值附近的散热速率（）。移开铜盘，取下橡胶盘，并使 铜盘的底面与铜盘直接接触，当盘的温度上升到高于稳定态的值若干度（左 右）后，再将铜盘移开，让铜盘自然冷却，每隔 30 秒（或自定）记录此时的值。 根据测量值计算出散热速率。 金属导热系数的测量 a. 将圆柱体金属铝棒（厂家提供）上下两面套上空心隔热圆盘，置于发热圆 盘与散热圆盘之间。 b. 当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，、值为金属样品上下两个面的 温度，此时散热盘P的温度为值。因此测量盘的

9、冷却速率为： 由此得到导热系数为 （ 5.4.6） 测T3值时可在、达到稳定时，将插在发热圆盘与散热圆盘中的热电偶取 出，分别插入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。 数据记录： 铜的比热，比重。 表 5.4.1 散热盘 质量=9）,半径（cm） 12345 表 5.4.2 橡胶盘 半径（） 12345 表 5.4.3 稳态时，的测量值（转换见附录 2 的分度表） 12345 表 5.4.4 散热速率 时间（ S）00 根据实验结果，计算出不良导热体的导热系数，并求出相对误差。 五、注意事项 1、热电偶的发热和散热圆盘侧面的小孔应与杜瓦瓶同一侧，避免热电偶线 相互交叉。 2、实验中，抽出被测样品

10、时，应先旋松加热圆筒侧面的固定螺钉。样品取 出后，小心将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，防止高温烫伤。 六、思考题 1、散热盘下方的轴流式风机起什么作用？若它不工作时实验能否进行？ 2、本实验对环境条件有些什么要求？室温对实验结果有没有影响？ 3、试定量估计用温差电动势代替温度所带来的误差。 附录 1 表545铜一xx热电偶分度表 89 000.0380.0760.1140.1520.1900.2280.2660.3040.342100.3800.4190.4580.4970. 5360.5750.6140.6540.693 0.732 200.7720.8110.8500.8890.92

11、90.9691.0081.0481.088 1.128 301.1691.2091.2491.2891.3301.3711.4111.4511.492 1.532 401.5731.6141.6551.6961.7371.7781.8191.8601.901 1.942 501.9832.0252.0662.1082.1492.1912.2322.2742.315 2.356 602.3982.4402.4822.5242.5652.6072.6492.6912.733 2.775 702.8162.8582.9002.9412.9833.0253.0663.1083.150 3.191 80

12、3.2333.2753.3163.3583.4003.4423.4843.5263.568 3.610 903.6523.6943.7363.7783.8203.8623.9043.9463.988 4.030 1004.0724.1154.1574.1994.24.2854.3284.3714.413 4.456 1104.4994.5434.5874.6314.6744.7074.7514.7954.839 4.883 1204.527 附录 2直流电位差计测热电偶温差电动势 一、热电偶测温原理 热电偶亦称温差电偶，是由 A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。 当两个接点处

13、于不同温度时（如图 5.4.2），在回路中就有直流电动势产 生，该电动势称温差电动势或热电动势。当组成热电偶的材料一定时，温差电 动势Ex仅与两接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如 下近似关系式： 式中称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶 ,是不同的，其数值上等 于两接点温度差为时所产生的电动势。 图 5.4.2 两种材料的 A、B接法543三种材料的 A、 B、 C 接法 图 5.4.4热电偶温度计示意图 为了测量温差电动势，就需要在图 5.4.2的回路中接入电位差计，但测量仪 器的引入不能影响热电偶原来的性质，例如不影响它在一定的温差下应有的电 动势值。要做到这一点

14、，实验时应保证一定的条件。根据 Volt 定律，即在，两 种金属之间插入第三种金属 C时，若它与，的两连接点处于同一温度（图 5.4.3），则该闭合回路的温差电动势与上述只有 ,两种金属组成回路时的数值完 全相同。所以，我们把 ,两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起，构成热电 偶的热端（工作端）。将另两端各与铜引线（即第三种金属 C）焊接，构成两个 同温度（）的冷端（自由端）。铜引线与电位差计相连，这样就组成一个热电 偶温度计，如图 5.4.4所示。通常将冷端置于冰水混合物中，保持，将热端置于 待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来 求出温度t。热电偶温度计的优

15、点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围 广，还能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温、自动控温等 系统中得到广泛应用。 二、测量步骤 1、在型直流电位差计机箱底部的电池盒中分别装入电池。 2、将型导热系数测定仪面板上的 “外接”两接线柱与 “未知端 ”之间用导线连 接（注意极性）。 3、的量程开关打向“X 0.2调节 调零”电位器，使检流计指零。 4、将扳键开关推向 “标准”位置，调节工作电流调节 “旋”钮，使检流计指零 （一般称 “工作电流标准化 ”）。 5、将扳键开关打向 “未知”，调节步进测量盘和滑线盘，使检流计指零，末 知电动势： E=（步进盘示值+滑线盘示值）X 0.2 6、在测量过程中，应经常使工作电流标准化，使测量精确。 附录3 PID智能温度控制器 该控制器是一种高性能。可靠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。控制器面板分布