不良导体导热系数的测定实验报告

非金属固体材料导热系数的测量

2004/04

用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使

用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材

料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。

基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一

电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其

附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述]

由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的

热传导方程对物体的温度场进行描述：r r r

t ??+??=??θθθα1122 （1） 边界条件为：

00

=r θ(t =0，r ≥0)，0=∞r θ(t >0，r =∞)，const.π0

=??-==r r q θ

λ(t >0，r =0)[3] （2）

根据热传导方程和边界条件得到解为：t t

e

q

t

t

r r t d π40

42?

-

=

αλ

θ

（3）

其中各物理量含义为，t ：热线的加热时间，单位为s ；r ：距热线的距离，单位为m ；q ：热线单位长度的加热功率，单位为W/m ；t r θ：加热时间t ，距离热线距离r 处的温升，单位为K ；α：试样的热扩散率，单位为m 2/s ；λ：试样的导热系数，单位为W/（m ·K ），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m ·K ）。

假设t r α42

→0，即r →0或αt →∞，利用Euler 公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果

在不同时间t 1、t 2，测的同一点r 处的温升为1t r θ、2

t r θ，则：12ln π41

2

t t q

t t r r λ

θθ=

- （4） 根据（4）可以得到试样的导热系数

()()1

2

1

2

1212ln πL 4ln π4t

t t t r r r r t t IU t t q θθθθλ-=-=

[4]

（5）

（5）式中，I 、U 分别热线的通电电流（单位为A ）和电压（单位为V ），L 为有效加热长度（单位为m ）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t 2/t 1)和1

2

t t r r θθ-呈线性关系，据此计算试

样的导热系数。

[实验设计]

实验装置如图2所示。试样为环氧树脂，有效长度220mm ，直径28mm 。加热丝为钨杆，直径1mm ，R Wu =0.01650Ω，加热电流3~5A 。温度测量利用电阻——温度系数（αR =0.00393℃

图1、热线法测定非金属固体材料导热系数

的原理示意图

试样

热线

-1

）线性比较好的铜丝进行，关系式为：

R Cu =R 0(1+αR t ) （6）

R 0为0℃时的电阻值。铜丝直径0.21mm ，为保证基本不产生热效应，宜选择小工作电流（<2mA ），当试样温度变化时，铜丝电压也随之变化。增加铜丝绕制匝数或减小直径，可以获得较大变化的电压值。

[实验步骤]

1． 由于热丝加热和铜丝电阻测量均采用恒流供电，因此要

确定工作电流大小。特别注意：调节电流时，恒流源不

能开路调节（否则P out ，电源会烧毁）。

2． 将加热丝和采样小电阻串入大电流恒流源，120mV 电压

表检测大恒流源输出和加热丝工作状态（实验要求加热功率变化小于±1%）。将测温铜电阻和采样大电阻串入小电流电路，120mV 电压表检测小恒流源输出和铜丝电阻变化。 3． 确定各连线没有问题后，先接通测温电路，再接通加热电路，稳定10分钟左右后开始记录

数据，时间间隔自定，电流稳定性观测间隔约5~10分钟，铜丝电阻测量一般取2~5分钟记录一点，工作过程1~1.5小时。尽可能保持环境稳定。 [数据处理] 1．数据记录

初始温度t =___℃；单位时间间隔的加热电流、电压，铜丝电流、电压；结束温度t =___℃ 2．实验报告要求：

1) 记录实验仪器规格。

2) 根据初始时环境温度，铜丝的电阻——温度系数、电流和电压值确定的铜丝的R 0。 3) 写出求解环氧树脂导热系数的过程（包括公式推导、数据代入过程等），可以用坐标纸或计

算机处理数据。

4) 分析加热功率是否满足波动小于±1%。

5) 分析改变实验条件，如加热电流、测温电流等，对实验数据的影响。 6) 总结实验的特点及可能产生误差的原因，解决设想。

7) 你是否愿意将此实验该为计算机采集？请与老师联系E-mail: gpl@https://www.wendangku.net/doc/3117708438.html,

参考文献

1． 国家质量技术监督局，“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297—1998）。 2． 奥齐西克编著，俞昌铭译，《热传导》，高等教育出版社，1983。 3． 朱鹤年编著，《物理实验研究》，清华大学出版社，1994。

4． 杨述武主编，《普通物理实验（四、综合及设计部分）》，高等教育出版社，2000。

图2、实验装置图

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，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，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-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℃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 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （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 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R

不良导体的导热系数

热导系数的测量 学号：PB07210137 姓名：昝涛 实验名称：热导系数的测量 实验目的：了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的热传导系数 并用作图法求冷却速率 实验原理： 1. 导热系数 当物体内存在温度梯度时，热量从高温流向低温，谓之热传导或传热，传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积，比例系数为热导系数或导热率： dS dx dT dt dQ λ-= （1） 2. 不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由 加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔，热电偶可插入孔内测量温度，两面高低温度恒定为T 1 和T 2时，传热速率为 S h T T dt dQ 21--=λ （2） 由于传热速率很难测量，但当T 1 和T 2稳定时，传入橡胶板的热量应等于它向周围的散 热量。 这时移去橡胶板，使加热盘与铜盘直接接触，将铜盘加热到高于T 2约10度，然后再移去加热盘，让黄铜盘全表面自由放热。每隔30秒记录铜盘的温度，一直到其温度低于T 2，据此求出铜盘在T 2附近的冷却速率 dt dT 。 铜盘在稳态传热时，通过其下表面和侧面对外放热；而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比， ()()dt Q d h R R h R R dt dQ ' ++= 222ππ （3） 式中 dt Q d ' 为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体，有 dt dT mc di Q d =' （4） 这样，就有 ()()dt dT mc h R R h R R dt dQ 222++=ππ （5） 结合（2）式，可以求出导热系数 ()()dt dT h R T T R h R h c m A A B A A B +-+= )(22212 πλ铜铜

不良导体导热系数测量

实验题目：不良导体导热系数的测量 实验目的：了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并利用作图法求冷却 速率。 实验原理：1、导热系数 导热系数是反映材料热性能的重要物理量。目前对导热系数的测量均建立在傅立叶热传导 定律的基础上。本实验采用稳态平板法。 根据热传导理论，当物体内部存在温度梯度时，热量从高温向低温传导： dx dt dT dt dQ ?-=λ 其中λ就是导热系数。 2、不良导体导热系数的测量 样品为一平板，当上下表面温度稳定在T 1、T 2，以h B 表示样品高度，S B 表样品底面积： B B S h T T dt dQ ?-=21λ 由于温差稳定，那么可以用A 在T 2附近的dT/dt （冷却速率）求出dQ/dt 。 根据散热速率与散热面积成正比，则 dt dQ h R h R dt dQ h R R h R R dt dQ P A A A A P A A A A A A ?++=?++=2)(2)2(ππ 又根据 dt dT mc dt dQ P ? = 有 dt dT h R T T R h R mch A A B A A B ?+-+= ))((2)2(212 πλ 从而通过测量以上表达式中的量得到导热系数。 实验装置：如图 实验内容：1、用游标卡尺测量A 、B 两板的直径、厚度（每个物理量测量3次）； 2、正确组装仪器后，打开加热装置，将电压调至250V 左右进行加热至一定温度（对应T 1电

压值大约在3.20-3.40mV ）； 3、将电压调至125V 左右，寻找稳定的温度（电压），使得板上下面的温度（电压）10分钟内 的变化不超过0.03mV ，记录稳定的两个电压值； 4、直接加热A 板，使得其温度相对于T 2上升10度左右； 5、每隔30s 记录一个温度（电压）值，取相对T 2最近的上下各6个数据正式记录下来； 6、整理仪器；数据处理。 实验数据： 几何尺寸测量： 表一：A 、B 板的几何尺寸测量结果 A 质量m=806g ，比热容c=0.793kJ/kgK 。 稳定温度（实际是电压值）： T 1：3.09mV T 2：2.73mV 表二：自由散热温度（最接近T 2的12个） 数据处理： 将导热系数的公式变形为 dt dV h D V V D h D mch A A B A A B ?+-+= )2)(()4(2212 πλ A 盘直径的平均值 mm mm D D D D A A A A 89.129390 .12972.12904.1303321=++=++= B 盘直径的平均值 mm mm D D D D B B B B 46.129352 .12944.12942.1293321=++=++= A 盘厚度的平均值 mm mm h h h h A A A A 95.6392 .690.602.73321=++=++= B 盘厚度的平均值 mm mm h h h h B B B B 98.7300 .892.702.83321=++=++= 利用ORIGIN 作图得到dV/dt ：

导热系数实验报告

一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ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)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置

在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 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G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 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的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。 设稳态时，样品的上下平面温度分别为 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （2）

导热系数实验报告

一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面（设θ1>θ2），若平面面积均为S ，在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式： h S t Q ) (21θθλ-=?? （3-26-1） 式中， t Q ??为热流量；λ即为该物质的导热系数，λ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)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ，在P 的上面放上待测样品B ，再把带发热器的圆铜盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2，θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 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G ，切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置

2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中，R B 为样品的半径，h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变， 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中，在读得稳定时θ1和θ2后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体（橡皮）的测定 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的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C ．H ．Le e s ．首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。 设稳态时，样品的上下平面温度分别为 12θθ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式：S h t Q B 21θθλ-=?? （1） 式中λ为样品的导热系数，B h 为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ，则半径为B R ，则由（1)式得： 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? （2） 实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P ，散热盘P 可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ，其面积也与样品B 的面积相同，加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。

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。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间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： B B h T T R t Q )(212 -???=??πλ 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，此时低温侧铜板的散热速率就是样品的传热速率。 这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品的传热速率。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，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-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℃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 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （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 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R

试验9不良导体导热系数的测定

实验九 不良导体导热系数的测量 导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。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测定。（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻） 1882年法国科学家J?傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。 【实验目的】 1．了解热传导现象的物理过程 2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率 4．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】 YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、塞尺等 【实验原理】 为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出：如果热量是沿着z 方向传导，那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截 面积ds ，以 dT dz 表示在z 处的温度梯度，以dQ dt 表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds 的热量），那么传导定律可表示成： 0 ( )z dT dQ ds dt dz λ=-? （9-1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。（9-1）式中比例系数λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为

导热系数实验报告

用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤（公用）、杜瓦瓶、 秒表、待测样品（橡胶盘、铝芯）、冰块 三、【实验原理】 1、良导体（金属、空气）导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相 距为 h 、温度分别为O K 6：的平行平面（设0/5）,若平面面积均为S,在△『时 间内通过面积S 的热量A0免租下述表达式： △0 一胭 ?一 2) A/ h (3-26-1) & & & 丙1 T7T\ *TV T*?r?*7 TT m R

式中，普为热流量；2即为该物质的导热系数，兄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 W/（加?K ）。 在支架上先放上圆铜盘P,在P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜 盘A 放在B 上，发热器通电后，热量从A 盘传到B 盘，再传到P 盘，由于A,P 都 是良导体，其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度X 、02, Ox. 02分别插入A 、 P 盘边缘小孔的热电偶E 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G,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。 由式（3-26-1）可以知道，单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 咚=久?_&2）凤 （3-26-2） 式中，弘为样品的半径，矗为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时，X 和5的 值不变，遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等， 因此，可通过铜盘P 在稳定温度匚的散热速率来求出热流量昱。实验中，在读得 稳定时0】和匹后，即可将B 盘移去，而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的0：值若干摄氏度后，在将A 移开，让P 自然冷却。 观察其温度0随时间t 变化情况，然后由此求出铜盘在0：的冷却速率竺 2、不良导体（橡皮）的测定 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的不同 对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具 体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法，在稳态法中，先利用热源对样品加热, 样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢 和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程 达到平衡状态，则 ，而 △ & me —— ,就是铜盘P 在温度为0 2时的散热速率。

良导体导热系数的测定(讲义)

实验六 良导体导热系数的测定 热量传输有多种方式，热传导是热量传输的重要方式之一，也是热交换现象三种基本形式（传导、对流、辐射）中的一种。导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一，它不仅是评价材料热学特性的依据，也是材料在设计应用时的一个依据。熔炼炉、传热管道、散热器、加热器，以及日常生活中水瓶、冰箱等都要考虑它们的导热程度大小，所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。 材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。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技术中对材料的导热系数常用实验的方法测定。 测量导热系数的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本实验介绍一种比较简单的利用稳态法测良导体导热系数的实验方法。稳态法是通过热源在样品内部形成一个稳定的温度分布后，用热电偶测出其温度，进而求出物质导热系数的方法。 一、实验目的 1、掌握稳态法测良导体导热系数的方法,观察和认识传热现象与过程,理解傅里叶导热定律。 2、了解冷却速率、散热速率、导热速率的关系，用作图法求冷却速率，计算良导体的导热系数。 3、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。 二、实验仪器 YBF －2型导热系数测试仪，杜瓦瓶（保温杯），测试样品（硬铝）、塞尺、游标卡尺、物理天平。 三、实验原理 1882年法国科学家傅立叶（J.Fourier ）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上．测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量良导体的导热系数。 当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。傅立叶指出，在dt 时间内通过dS 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是导热系数，即： dS dx dT dt dQ λ-= （1） 式中 dt dQ 为导热速率，dx dT 是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度，“—”号表示热量由高温区域 传向低温区域，λ即为导热系数，它表示物体导热能力的大小，在SI 中λ的单位是1 1 K m w --??。对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。 如图3所示，A 、C 是传热盘和散热盘，B 为样品盘，设样品盘厚度为B h ，半径为B R ，上、下表 面的面积为2 B B S R π=。维持上下平面有稳定的温度21T T 和（侧面近似绝热），这时通过样品的导热速 率为：

良导体热导率的动态法测量

西安交通大学 大学物理仿真实验报告 姓名：李宗阳 班级：能动28 学号：2120301210

实验名称：良导体热导率的动态法测量 一．实验目的 1．通过实验学会一种测量热导率的方法。 2．解动态法的特点和优越性。 3．认识热波，加强对拨动理论的理解。 二．实验原理 实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A 的热量，即热流为 x T KA t q ??-=?? （1） 其中K 为待测材料的热导率，A 为截面积， 文中x T ??是温度对坐标x 的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化方向相反．dt 时间 内通过面积A 流入的热量 dxdt x T KA dt t q t q dq dx x x 22??=?? ??????? ????-??? ????=+ 图1 棒 元 若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt 时间内流入面积A 的热量等 于温度升高需要的热量dt t T Adx c dq ?? ? ????=ρ，其中C ，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热平衡方程为

dx x T K t T dx C 22??=??ρ （2） 由此可得热流方程 22x T D t T ??=?? （3） 其中ρC K D =，称为热扩散系数． 式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即 t T T T m ωsin 0+= （4） 其中T m 是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却， 保持恒定低温o T ，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为 )sin(202x t e T x T T D x m D ωωαω-?+-=- （5） 其中T 0是直流成分，α是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出： 1) 热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波． 2) 热波波速：ωD V 2= （6） 3) 热波波长：ωπλD 22= （7） 因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D ．然后再由ρ C K D =计算出材料的热导率K ．本实验采用.式（6）可得 ωρC K V 22= 则T C V f C V K πρπρ4422== （8） 其中，f 、T 分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是： 1) 热量在样品中一维传播．2) 热端温度按简谐变化．

《不良导体导热系数的测定》实验课件文字稿(精)

《不良导体导热系数的测定》实验课件文字稿 一、实验目的 1.感知热传导现象的物理过程。 2.学习用稳态法测量不良导体的导热系数。 3.学习测量冷却速率的方法 4.学习用温差电偶测量温度的原理和方法。 二、实验仪器和用具 导热系数测定仪（FD —TC —II ）、橡皮圆板（待测样品）、温差电偶（2对）、保温杯、数字式电压表（FPZ —II ）、9Q 连接线、电子秒表、游标卡尺、电子天平、冰块。 三、实验原理 1、傅里叶热传导方程 导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。 如图（一）所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为S ，高为h 。经加热后，上端温度为1T ，下端温度为2T ，12T T >，热量从上端流向下端。若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时虽然各个截面的温度不等，但相同的时间内流过各截面的热量必然相等（设侧面无热量散失），这时热传递达到动态平衡，整个导体呈热稳定状态。法国数学家，物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程 12T T Q S t h λ-?=? （1） Q ?是t ?时间内流过导体截面的热量， Q t ??叫传热速率。比例系数λ就是材料的导热系数（热导率），单位是()w m K 瓦 米开 。在此式中，S 、h 和1T 、2T 容易测得，关键是如何测得传热速率 Q t ??。 2、用稳态法间接测量传热速率 如图二所示，将待测样品夹在加热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，加热盘的传热 速率为 图（一） 2T 1T T T 加热铜盘 待测样品 散热铜盘 图二

不良导体导热系数的测定实验报告

非金属固体材料导热系数的测量 2004/04 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使 用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材 料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。 基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一 电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其 附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述] 由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的 热传导方程对物体的温度场进行描述：r r r t ??+??=??θθθα1122 （1） 边界条件为： 00 =r θ(t =0，r ≥0)，0=∞r θ(t >0，r =∞)，const.π0 =??-==r r q θ λ(t >0，r =0)[3] （2） 根据热传导方程和边界条件得到解为：t t e q t t r r t d π40 42? - = αλ θ （3） 其中各物理量含义为，t ：热线的加热时间，单位为s ；r ：距热线的距离，单位为m ；q ：热线单位长度的加热功率，单位为W/m ；t r θ：加热时间t ，距离热线距离r 处的温升，单位为K ；α：试样的热扩散率，单位为m 2/s ；λ：试样的导热系数，单位为W/（m ·K ），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m ·K ）。 假设t r α42 →0，即r →0或αt →∞，利用Euler 公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果 在不同时间t 1、t 2，测的同一点r 处的温升为1t r θ、2 t r θ，则：12ln π41 2 t t q t t r r λ θθ= - （4） 根据（4）可以得到试样的导热系数 ()()1 2 1 2 1212ln πL 4ln π4t t t t r r r r t t IU t t q θθθθλ-=-= [4] （5） （5）式中，I 、U 分别热线的通电电流（单位为A ）和电压（单位为V ），L 为有效加热长度（单位为m ）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t 2/t 1)和1 2 t t r r θθ-呈线性关系，据此计算试 样的导热系数。 [实验设计] 实验装置如图2所示。试样为环氧树脂，有效长度220mm ，直径28mm 。加热丝为钨杆，直径1mm ，R Wu =0.01650Ω，加热电流3~5A 。温度测量利用电阻——温度系数（αR =0.00393℃ 图1、热线法测定非金属固体材料导热系数 的原理示意图 试样 热线

导热系数测量实验报告

导热系数测量实验报告 篇一：导热系数实验报告 实验用稳态平板法测定不良导体的导热系数实验报告 一、实验目的. （1）用稳态平板法测定不良导体的导热系数. （2）利用物体的散热速率求传热速率. 二、实验器材. 实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、数字式电压表. 三、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）进行时，热传导的基本公式可写为 dT dQ=?λ ????????? ---------------------------------------------（） 它表示在dt时间内通过dS面积的

热量dQλ为导热系数，它的大小由物体????dT 本身的物理性质决定，单位为W????1????1，它是表征物质导热性能大小的物理量，式中符号表示热量传递向着温度降低的方向进行. 在图中，B为待测物，它的上下表面分别和上下铜、铝盘接触，热量由高温铝盘通过待测物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，视热量只沿着垂直待测板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?t时间内，通过面积为S、厚度为L的匀质圆板的热量为??? ?????? ---------------------------------------------（）式中，???为匀质圆板两板面的恒定温差，若把（）式写成 ?Q=?λ ??????

=?λ?? ---------------------------------------------（）的形式，那么???便为待测物的导热速率，只要知道了导热速率，由（）式即可求出λ. 实验中，使上铝盘A和下铜盘P分别达到恒定温度??1、??2，并设??1>??2，即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热.因为??1和??2不变，所以，通过B的热量就等于C向周围散发的热量，即B的导热速率等于C 的散热速率.因此，只要求出了C在温度??2时的散热速率，就求出了B的导热速率???. 因为P的上表面和B的下表面接触，所以C的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为????，而实验中冷却曲线是C全部裸露于空气中测出来的，即在P的上下表面和侧面积都散热的情况下记录的.设其全部表面积为??全，根据散热速率与散热面积成正比的关系可得??? ?????? ???

8讲义(导热系数)

注意：本次实验B211有三种实验仪器，座位号1—10预习报告参考《讲义一》内容，座位号11—22预习报告参考《讲义二》内容，座位号23—24预习报告参考《讲义一》内容！

讲义一：用稳态法测量不良导体的导热系数 【实验目的】 1、 感知热传导现象的物理过程； 2、 学习用稳态法测量不良导体的导热系数； 3、学习利用物体的散热速率测量传热速率。 【实验仪器及装置】 FD-TC-B 型导热系数测定仪、游标卡尺及电子天平等 如图1所示FD-TC-B 型导热系数测定仪，它是由电加热器、铜加热盘C ，橡皮样品盘或胶木样品盘B ，铜散热盘P 、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。 【实验原理】 1、傅立叶热传导方程 傅立叶热传导方程正确的反映了材料内部的热传导的基本规律。该方程式指出：在物体内部，垂直于热传导方向彼此相距B h ，温度分别是121θθθ（和>）2θ的两个平行平面之间，当平面的面积为S 时，在t δ时间内通过面积S 的热量Q δ满足关系： 2 1 2124B B B Q S d t h h θθθθδλλπδ--== （1） 图1 FD-TC-B 型导热系数测定仪

即热流量 t Q δδ（单位时间传过的热量）与导热系数λ（又称热导率）、传热面积2 4 B d S π= 、距离B h 以及温差12θθ-有关。而λ的物理意义为相距单位长度的两 个平面间的温度相差一个单位时的每秒通过单位面积的热量。不良导体的导热系数一般很小，例如，矿渣棉为，石棉板为，松木为～，混凝土板为，红砖为，橡胶为等。良导体的导热系数通常比较大，约为不良导体的321010～倍，如铜为× 210。以上各量单位是11W m K --。 2、实验装置 如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P ，散热盘P 可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品盘B 上放置一个圆盘状加热盘C ，其面积也与样品B 的面积相同，加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度21θθ和不变，这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量 t Q δδ。 实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度21θθ和后，将样品B 抽去，让加热盘C 与散热盘P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的2θ值10℃或10℃以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度θ随时间t 的下降情况，求出散热盘在2θ时的冷却速率2 θθθ=??t ，则散热盘P 在2θ时的散热 速率为： 2 Q mc t t θθδθ δ=?=? (2) 其中m 为散热盘P 的质量，c 为其比热容。在达到稳态的过程中，P 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积的修正： 2 2 22) (22) P P p P P p R R h Q mc t t R R h θθππδθδππ=+?=?+（ (3)

材料导热系数测试实验

东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名张沐天班级学号实验日期2015.11.27 批改教师 课程名称________________ 材料性能测试实验________________________ 批改日期 实验名称__________ 材料导热系数测试实验 ________________________ 报告成绩 一、实验目的 1?掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1?材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为W/（m ? K），也叫热导率。热导率入由简化的傅 ）dT q =-入— 里叶导热定律dx决定。 2?热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。 1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在0.4-40pm间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3?影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高 而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。 3）成分和晶体结构

导热系数的测定_评分标准(精)

“导热系数的测定”实验报告评分标准 第一部分：预习报告（20分） 一、实验目的 1.掌握用稳态法测量不良导体的导热系数的方法。 2.了解物体散热速率和传热速率的关系。 3.理解温差热电偶的特性。 二、实验仪器 发热盘，传热筒，杜瓦瓶，温差电偶，待测橡胶样品 ，数字电压表，停表。 三、实验原理 1 ?热传导定律：—— S ； 2 ?导热系数概念：等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通 过单位面积所传递的热量，单位是瓦?米-1?开-1（ W- m1? K1），导热系数是反映材料的导 热性能的重要参数之一； 3?稳态法（通过控制热源传热在样品内部形成稳定的温度分布，而进行的测量）测不良导体的导热系数的方法； 4散热板自由冷却与稳态时，由于散热面积不同因而要引入修正系数： 2 R c 2：'；R c h e _ 1 D e 4h C 2二R C 2「R C h C2 D e 2h c

5 ?温差热电偶的工作原理 四、实验内容和步骤 1橡胶盘，黄铜盘直径，高度D B,h B,D c,h c，黄铜盘质量m，数据由实验室提供。 2、稳态法测传热板，散热板的温度哥0，20； 3、测量散热板（黄铜盘）的冷却速率22^，计算■ o 第二部分：数据采集与实验操作（40分） 有较好的动手能力，能够很好解决实验过程中出现的问题，数据采集记录完整准确，操作过程无误（35-40分）; 有一定的动手能力，能够解决实验过程中出现的一般问题，数据采集记录完整，操作过程无大的违规（35-20）; 动手能力较差，难以解决实验过程中出现的一般问题，数据采集与记录不完整、有偏差，有 违规操作（0-20分）o 操作要点： 1 导热系数测定仪的使用（数字电压表调零，热电偶接线，）; 2.构建稳态环境，保持哥°在 3.50mV ±0.03mV范围内，测量匕0 ； 3.测量黄铜盘的冷却速率。保持稳态时散热板的环境： a .电风扇一直工作。 b. Io附近的冷却速率。