导热系数的测量

1. 导热系数的测量 兰州理工大学物理实验中心

2. 预 备 知 识 导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态法测量材料热导率。通过实验可以加深对热传导规律的理解，体会使用参量转换法的设计思想，掌握用温度传感器测量的方法。

3. 导热系数的测量 • 实验目的 • 实验仪器 • 实验原理 • 实验内容及操作 • 数据处理

4. 实 验 目 的 • 1、掌握稳态法测材料导热系数的方法 • 2、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法。

5. YBF－2型导热系数测试仪 杜瓦瓶 测试样品（硬铝、橡皮） 游标卡尺等 实 验 仪 器

6. 仪 器 简介 仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，固定于底座上的３个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，样品上下面可与加热铜盘及散热铜盘紧密接触。散热盘下方有一轴流式风扇，用来快速散热，两个热电偶的冷端浸于杜瓦

7. 瓶的冰水混合物中，热端插入样品上下的两个小孔中。热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内，利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势。温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量，再根据铜—康铜分度表转换成对应的温度值。瓶的冰水混合物中，热端插入样品上下的两个小孔中。热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内，利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势。温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量，再根据铜—康铜分度表转换成对应的温度值。

8. 实 验 原 理 热传导定律:如果热量沿着x方向传导，那 么在x轴上任意位置x0处取一个垂直截面△S （如图），以 表示在x处的温度梯度，以 表示在该处传 热率（单位时间通 过截面△S的热量），

9. 那么热传导定律可以表示成 式中负号表示热量从高温区向低稳区传 导（即传导的方向与温度梯度的方向相 反）。式中比例系数极即为热导率，亦 称导热系数。

10. 实 验 思 路 本实验的关键是给样品造成一个稳定的传热状态（如图）在此状态下，温度梯度 T1、T2是样品上下表面的稳定温度，h是样品的厚度。

11. 令样品的半径为R ,高度为h 铜盘的半径为RP ,高度为hP 则样品的传热速率 热导率

12. 实 验 内 容 与 操 作 1、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径和高度。 2、安装、调整整个实验装置。安放样品时，须使插入热电偶的小孔与杜瓦瓶、数字电压表位于同一侧。调节散热盘下面的三个螺旋测微头，使待测样品的上下表面与加热盘和散热盘紧密接触。热电偶热端插入小孔底，保证热电偶热端与样品或铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶中浸入冰水混合物中。

13. 3、根据稳态法，为得到稳定的温度分布，可先将电源电压打到“高”档，几分钟后θ1=4.00mv即可将开关拨到“低”档，通过调节电热板电压“高”、“低”及“断”电档，使θ1读数在±0.03mv范围内，同时每隔30秒读θ2的数值，如果在2分钟内样品下表面温度θ2示值不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与θ1，θ2对应的T1，T2值。3、根据稳态法，为得到稳定的温度分布，可先将电源电压打到“高”档，几分钟后θ1=4.00mv即可将开关拨到“低”档，通过调节电热板电压“高”、“低”及“断”电档，使θ1读数在±0.03mv范围内，同时每隔30秒读θ2的数值，如果在2分钟内样品下表面温度θ2示值不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与θ1，θ2对应的T1，T2值。 加热过程中打开散热盘下面的微型轴流式风扇，以形成一个稳定的散热环境。稳态后取下一支热电偶，插入散热盘小孔，记录稳态时散热盘温度值T3。

14. 4、取出样品，使加热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的T3高出约10℃（电压表读数约增加0.5mV）时，停止加热，并立即移去加热盘，让散热盘开始自然冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。4、取出样品，使加热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的T3高出约10℃（电压表读数约增加0.5mV）时，停止加热，并立即移去加热盘，让散热盘开始自然冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。 5、求冷却速率。 以时间为X轴温度为Y轴作出散热盘的冷却曲线，画出经过冷却曲线上T3点的切线，其斜率即为温度T3时散热盘的冷却速率。

15. 数 据 处 理 1、根据 计算 及其不确定度，正确表示结果。 2. 将测得样品的 与标准值 比较，计算 相对误差。 0：硬铝热导率的参考值（273K时） ， 0=140W/(m·K)

16. 注 意 事 项 1、热电偶丝较细，应尽量避免弯折。 2、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。 3、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意避免烫伤。 4、不要划伤样品端面，以免影响实验精度。 5、电压表出现不稳定或加热时数值不变化，应先检查热电偶及各个环节的接触是否良好。

17. 思 考 题 1、测导热系数λ要满足哪些条件？在实 　 验中如何保证？ 2、测冷却速率时，为什么要在稳态温度 T2（或T3）附近选值？如何计算冷却 速率？ 3、讨论本实验的误差因素，并说明导热 系数可能偏小的原因。