1、導熱系數的測定導熱系數(熱導率)是反映材料導熱性能的物理量，它不僅是評價材料的重要依據，而且是應用材料時的一個設計參數，在加熱器、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計等工程實踐中都要涉及這個參數。因為材料的熱導率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響熱導率的數值，所以在科學實驗和工程技術中對材料的熱導率常用實驗的方法測定。測量熱導率的方法大體上可分為穩態法和動態法兩類。本測試儀采用穩態法測量不同材料的導熱系數，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質的導熱系數是熱學實驗中的一個重要內容。【實驗目的】1、 了解熱傳導現象的物理過程2、學習用穩態平板法測量材料的

2、導熱系數3學習用作圖法求冷卻速率4、掌握一種用熱電轉換方式進行溫度測量的方法【實驗儀器】1、YBF-3導熱系數測試儀 一臺2、冰點補償裝置 一臺3、測試樣品（硬鋁、硅橡膠、膠木板） 一組4、塞尺 一把【儀器簡介】儀器的面板圖上面板圖下面板圖加熱溫度的設定： 按一下溫控器面板上設定鍵（S），此時設定值（SV）顯示屏一位數碼管開始閃爍。 . 根據實驗所需溫度的大小，再按設定鍵（S）左右移動到所需設定的位置，然后通過加數鍵（）、減數鍵（）來設定好所需的加熱溫度。 設定好加熱溫度后，等待8秒鐘后返回至正常顯示狀態。儀器的連接連線圖 從銅板上引出的熱電偶其冷端接至冰點補償器的信號輸入端，經冰點補償后由冰

3、點補償器的信號輸出端接到導熱系數測定儀的信號輸入端。【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軸上任一位置Z0 處取一個垂直截面積dS（如圖1）以 表示在Z處的溫度梯度，以 表示在該處的傳熱速率（單位時間內通過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成： (S1-1)式中的負號表示熱量從高溫區向低溫區傳導（即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數即為導熱系數,可見熱導率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內垂直通過單位面積截面的熱量。利用（S1-1）式測量材料的導熱系數，需解決的關鍵問題兩個

4、：一個是在材料內造成一個溫度梯度 ，并確定其數值；另一個是測量材料內由高溫區向低溫區的傳熱速率 。 1、 關于溫度梯度 圖（2）（圖1）為了在樣品內造成一個溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導體銅板之間（圖2）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hD（樣品直徑）。這樣，由于樣品側面積比平板面積小得多，由側面散去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，即只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，樣品內同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣

5、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度。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 單位時間內通過一截面積的熱量 是一個無法直接測定的量，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塊，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統就達到一個動態平衡狀態，稱之為穩態。此時低溫側銅板的散熱速

6、率就是樣品內的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側銅板在穩態溫度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，銅板的散熱速率與其冷卻速率（溫度變化率 ）有關，其表達式為： （S1-2）式中m為銅板的質量，c為銅板的比熱容，負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：在達到穩態后，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高于穩定溫度T2 （大約高出10左右）再讓其在環境中自然冷卻，直到溫度低于T2 ，測出

7、溫度在大于T2到小于T2區間中隨時間的變化關系，描繪出Tt曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩態溫度時T2下的冷卻速率。應該注意的是，這樣得出的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+2RP hP (其中RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度)然而在實驗中穩態傳熱時，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，所以穩態時，銅板散熱速率的表達式應修正為： (S1-3)根據前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。將上式代入熱傳導定律表達式，并考慮到ds=R2 可以得到導熱系數： （S1-4）式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的

8、質量、c為銅塊的比熱容、RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。【實驗步驟】1、用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和質量等必要的物理量，多次測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385kJ/(K·kg)2、加熱溫度的設定100攝氏度： 按一下溫控器面板上設定鍵（S），此時設定值（SV）后一位數碼管開始閃爍。 . 根據實驗所需溫度的大小，再按設定鍵（S）左右移動到所需設定的位置，然后通過加數鍵（）、減數鍵（）來設定好所需的加熱溫度。 設定好加熱溫度后，等待8秒鐘后返回至正常顯示狀態。3、圓筒發熱盤側面和散熱盤P側面，都有供安插熱電偶的小孔，安放

9、時此二小孔都應與冰點補償器在同一側，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，熱電偶冷端接到冰點補償器信號輸入端。根據穩態法的原理，必須得到穩定的溫度分布，這就需要較長的時間等待。手動控溫測量導熱系數時，控制方式開關打到“手動”。將手動選擇開關打到“高”檔，根據目標溫度的高低，加熱一定時間后再打至“低”檔。根據溫度的變化情況要手動去控制“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔5分鐘讀一下溫度示值（具體時間因被測物和溫度而異），如在一段時間內樣品上、下表面溫度T1、T2示值都不變，即可認為已達到穩定狀態。自動PID控溫測量時，控制方式開關打到“自動”,手動選擇開關打到

10、中間一檔，PID控溫表將會使發熱盤的溫度自動達到設定值。每隔5分鐘讀一下溫度示值，如在一段時間內樣品上、下表面溫度T1、T2示值都不變，即可認為已達到穩定狀態。4、記錄穩態時T1、T2值后，移去樣品，繼續對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10左右時，移去圓筒，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2 以下一定值。作銅板的Tt冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。5、根據（S1-4）計算樣品的導熱系數。6、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100時，其溫差電動勢約4.0mV，故應配用量程020mV,并能讀到0

11、.01mV的數字電壓表（數字電壓表前端采用自穩零放大器，故無須調零）。由于熱電偶冷端溫度為0,對一定材料的熱電偶而言，當溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（0）的比值是一個常數。由此,在用（S1-4）計算時,可以直接以電動勢值代表溫度值。【注意事項】1、穩態法測量時，要使溫度穩定約要40分鐘左右。手動測量時，為縮短時間，可先將熱板電源電壓打在高檔，一定時間后，毫伏表讀數接近目標溫度對應的熱電偶讀數，即可將開關撥至低檔，通過調節手動開關的高檔、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在±0.03mV范圍內。同時每隔30秒記下上、下圓盤A和P對應的毫伏讀數，待下圓盤的毫

12、伏讀數在3分鐘內不變即可認為已達到穩定狀態,記下此時的VT1和VT2值。2、測金屬的導熱系數的穩態值時,熱電偶應該插到金屬樣品上的兩側小孔中；測量散熱速率時，熱電偶應該重新插到散熱盤的小孔中。T1、T2值為穩態時金屬樣品上下兩側的溫度，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值時要在T1、T2達到穩定時，將上面測T1或T2的熱電偶移下來插到金屬下端的小孔中進行測量。高度h按金屬樣品上的小孔的中心距離計算。3、樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸，可用游標尺多次測量取平均值。散熱盤的質量m 約0.8，可用藥物天平稱量。4、本實驗選用銅康銅熱電偶，溫差100時，溫差電動勢約4.27m

13、V ，故配用了量程020mV的數字電壓表，并能測到0.01V的電壓。備注：當出現異常報警時，溫控器測量值顯示：HHHH 設置值顯示： Err ，當故障檢查并解決后可按設定鍵（S）復位和加數鍵（）、減數鍵（）鍵重設溫度。【注意事項】1、使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以保證接觸良好。注意，樣品不能連續做試驗，特別是硅橡膠，必須降至室溫半小時以上才能下一次試驗。2、在實驗過程中，如若移開電熱板，就先關閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉動，以免燙傷手。3、數字電壓表數字出現不穩定時先查熱電偶及各個環節的接觸是否良好。4、儀器使用時,應避免周圍有強烈磁場源的地方。5

14、、實驗結束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的精度。6、儀器長時間不使用時，請套上塑料袋，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內空氣濕度應小于80%。【數據記錄與處理】室溫_ 濕度_測量項123456樣品直徑DB樣品厚度hB下銅板質量m下銅板直徑DP 下銅板厚度hP 加熱置于高檔。2040分鐘后(時間長短隨被測材料和環境有所不同)，改為低檔（PID控溫時可以保持高檔不變），每隔2分鐘讀取溫度示值：時間（min）0246810121416VT1（mV）VT2（mV）測量下銅盤在穩態值VT2附近的散熱速率時，每隔30s記錄的溫度示值：t(s)0306090120150180

15、210240VT2（mV）導熱系數的計算： 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為銅塊的比熱容、RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。導熱系數的不確定度結果表示： 單位： Wm1-1附錄1 銅康銅熱電偶分度表 熱電勢（mV）溫度0123456789-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.720-00.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.34500.0000.0390.0780.1170.

16、1560.1950.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7011104.7494.79