熱導系數的測定實驗報告

1、導熱系數測定實驗報告實驗器材：1. 導熱系數測定儀主機1臺。2. 電源線1根。3. 專用測量熱電偶2根。4. 保溫杯1只。5. 測試樣品。6. 使用說明書，產品合格證。實驗原理：為了測定材料的導熱系數，首先從熱導率的定義和它的物理意義入手、熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，那么在Z軸上任一為止Z0處到一個垂直截面積ds以dT/dz表示在Z處的溫度梯度，以dQ/dt表示在該處的傳熱速度，那么傳熱定律可表示為：dQ=- (dT/dz)Z0*dS*dt式中的符號表示熱量從高溫區(qū)傳導。比例系數 即為一個單位的情況下，單位內垂直通過單位面積截面的熱量。利用該式測量材料的導熱系

2、數 ，需解決的關鍵問題有兩個：一個是在材料內造成一個溫度梯度dT/dz并確定其數值；另一個測量材料內由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率dQ/dt。1.關于溫度梯度dT/dz為了在樣品內造成一個溫度的梯度分布?？梢园褬悠芳庸こ善桨鍫?，并把夾在兩塊良導體銅板之間使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h<<D。這樣，由于樣品側面積比平板面積小得多，由側面散區(qū)的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導，即住在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導體，在達到平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內同一

3、平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內的溫度梯度（T1-T2）/h，當然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸，無縫隙，否則中間的空氣層將產生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。2.關于傳熱速率dQ/dt單位時間內通過一截面積的熱量dQ/dt是一個無法直接測量的量，我們設法將這個量轉化為較為容易測量的量，為了維持一個恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側銅板，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當加熱速率、傳熱速率和散熱速率相等時，系

4、統就達到一個動態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進一步作參量轉換，我們已經知道，銅板的散熱速率與冷卻速率有關，其表達式為：dQ/dt|T2=-mc*dT/dt|T2式中的m為銅板的質量，c為銅板的比熱容，符號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質量容易直接測量，c 為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高于溫度T2，

5、再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時間的變化關系，描繪出T-t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時T2下的冷卻速率。應該注意的是，這樣得出的dT/dt是在銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2Rp2+2Rphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面（面積為RP2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時，銅板散熱速率的表達式應修正為dQ/dt=-mc*dt/dt*(Rp2+2Rphp)/(2Rp2+2Rphp)根據前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。將上式代入熱傳導

6、定律表達式，并考慮到ds=R2可以得到導熱系數： =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、C為銅板的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。上式中的各項均為常量或者直接易測量。實驗步驟：1. 用自定量具測量樣品、下銅板幾個尺寸和質量等必要參數，多次測量，取平均值。其中下銅板比熱容C=0.385KJ/(K.KG).2. 放置好等測樣品及下銅板，調節(jié)下圓盤托架上的三個微調螺絲，使待測樣品與上下銅板接觸良好，安置圓筒、圓盤時，須使放置熱電偶的圓孔與杜瓦瓶同一側。熱電偶插

7、入銅板上的小孔時，要抹上硅脂，并插到銅孔底部，使熱電偶測溫度端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。3. 合上“加熱開關”，參照智能溫度控制器使用說明書上設定好銅板的溫度，并對其加熱。4. 上銅板加熱到設定溫度時，同時通過熱電偶選通開關，將信號選通開關打在(I)上測量上銅板的溫度。當其保持不變時，記錄下此時上銅板溫度T1，在不斷的給上銅板加熱時，熱量通過樣品不斷傳送給下銅板，經過一定的時間后，當下銅板的溫度保持不變后，將信號選通開關打在(II)上，測量下銅板的溫度，記錄下此時下銅板溫度T2。此時認為已經達到穩(wěn)態(tài)（大約在兩分鐘內銅板的溫度保持不變）。5. 移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當下銅

8、板的溫度比T2高出10左右時，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數據，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。6. 根據(S1-4)計算樣品的導熱系數。7. 設置不同的上銅板加熱溫度，在設定加熱溫度時，須高出室溫30，設定不同的加熱溫度，測量出不同溫度下的導熱系數。實驗注意事項1. 穩(wěn)態(tài)測量時，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時每隔30s記下樣品上下圓盤A和P的溫度T1和T2的數值，待T2的數值在2分鐘內不變即可認為已經達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時T1，T2的值。2. 測金屬的導

9、熱系數時，T1，T2值為穩(wěn)態(tài)時，金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤P的溫度為T3，因此測量P盤的冷卻速率應為：測T3時，要在T1，T2達到穩(wěn)態(tài)時，將上面測T1和T2的熱電偶移下來進行測量。3. 圓筒發(fā)熱體盤側面和散熱盤P側面，都有供安插熱電偶的小孔，安放發(fā)熱盤時此二小孔都應與杜瓦斯瓶在同一側，以免線路錯亂，熱電偶插入小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端浸入冰水混合物中。4. 移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當下銅板的溫度比T3高出10左右時，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數據，直至溫度下降到T2以下一定值

10、。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。儀器維護與保養(yǎng)：1. 使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦干凈，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。2. 實驗過程中，如若移動電熱板，應先關閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉動，以免燙傷手。3. 實驗結束后，應先切斷電源，并保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的精確度。數字溫度表數字出現不穩(wěn)定時先查熱電偶及各個環(huán)節(jié)的接觸是否良好。4. 儀器在搬運及放置時，應避免強烈的震動和受到撞擊。5. 儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗?，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內空氣濕度不應少于80%。6. 儀器使用時，應

11、避免周圍有強烈磁場源的地方。7. 長期放置不用后再次使用時，請先加電預熱30min后使用。數據處理1、對橡膠盤導熱率的測量R64.95mmh9.80mmRp64.80mmhp8.44mmm818g實際測量數據90攝氏度T1T2攝氏度92.273.882.480.979.678.376.975.774.473.372此時dT/dt|T=T2為0.043K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導熱系數為0.303W/(m*K)。85攝氏度T1T2攝氏度87.8677674.973.672.571.370.269.

12、168.167此時dT/dt|T=T2為0.0376K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導熱系數為0.235W/(m*K)。80攝氏度T1T2攝氏度82.464.174.273.171.970.769.568.467.366.365.364.3此時dT/dt|T=T2為0.037K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導熱系數為0.264W/(m*K)。得橡膠盤的平均導熱率=（0.303+0.235+0.264）/3=0.267 W/(m*K)2、對鋁芯導熱率的測量h76.85mmR20.05mm實際測量數據90攝氏度T1T2T3攝氏度83.778.271.