1、1穩態法測固體的導熱系數穩態法測固體的導熱系數科技樓科技樓120陳勁陳勁 預備問題預備問題 1.什么叫穩定導熱狀態（簡稱穩態）？如何判定實驗達到了穩定導熱狀態？2.待測樣品盤是厚一點好，還是薄一點好？為什么？3.如何根據冷卻曲線求出溫度T2附近的冷卻速率？ 熱傳導是熱量傳遞的三種基本形式之一，是指物體各部分之間不發生相對宏觀位移情況下由于溫差引起的熱量的傳遞過程，其微觀機制是熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移。在金屬中自由電子起支配作用，在絕緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。 熱傳導現象廣泛存在，如房屋的墻壁時刻進行熱傳導過程，水杯壁、衣服、鍋爐、過熱器、冷

2、凝器，熱力管道，航天器隔熱瓦、電子芯片散熱片等等都存在熱傳導現象。 法國科學家傅里葉（J.B.J.Fourier 17861830）根據實驗得到熱傳導基 本關系，1822年在其著作熱的解析理論 中詳細的提出了熱傳導基本定律，指出 導熱熱流密度（單位時間通過單位面積的熱量）和溫度梯度成正比關系。數學表達式為： 此即傅里葉熱傳導定律，其中 為熱流密度矢量（表示沿溫度降低方向單位時間通過單位面積的熱量）， 是導熱系數又稱熱導率，是表征物體傳導熱能力的物理量， 在數值上等于每單位長度溫度降低 一個單位時，單位時間內通過單位面積的熱量，其單位是W/(m K )。4傅里葉傅里葉)(Tgradq 某種物體的

3、導熱系數不僅與構成物體的物質種類密切相關，而且還與它的微觀結構、溫度、壓力、濕度及雜質含量相聯系。在科學實驗和工程設計中，需要了解所用物體的一些熱物理性質，導熱系數就是重要指標之一，常常需要用實驗的方法來精確測定。 一般說來，金屬的導熱系數比非金屬的要大；固體的導熱系數比液體的要大；氣體的導熱系數最小。根據國標GB427292規定，平均溫度不高于 時導熱系數不大于0.12W/(mK)的材料才能稱為保溫材料。導熱系數小于 的材料稱為超級保溫材料。 5C350散熱片散熱片泡沫隔熱板泡沫隔熱板)/(1034KmW 測量導熱系數的方法分測量導熱系數的方法分穩態法穩態法和和非穩態法非穩態法兩大類兩大類

4、穩態法是在加熱和散熱達到平衡狀態、樣品內部形成穩定溫度分布的條件下進行測量的方法。 非穩態法則是在測量過程中樣品內部的溫度分布隨時間是變化的，測出這種變化，得到熱擴散率再利用物體已知的密度和比熱，求得導熱系數。 測量導熱系數方法很多，沒有哪一種測量方法適用于所有的情形，對于特定的應用場合，也并非所有方法都能適用。要得到準確的測量值，必須基于物體的導熱系數范圍和樣品特征，選擇正確的測量方法。本實驗采用穩態平板法測量物體的導熱系數，該法設計思路清晰、簡捷，具有典型性和實用性。6實驗目的實驗目的 1了解熱傳導現象的物理過程。 2了解物體散熱速率和傳熱速率的關系。 3學會用鉑電阻型傳感器測定溫度。 4

5、學習一種測量材料導熱系數的實驗方法。實驗原理實驗原理BBhTTStQ)(21穩態熱傳導達到穩定狀態時熱傳導達到穩定狀態時根據傅里葉熱傳導定律根據傅里葉熱傳導定律有：有：導熱系數實驗裝置示意圖導熱系數實驗裝置示意圖（1）9熱傳導達到穩定狀態時熱傳導達到穩定狀態時樣品盤樣品盤B的熱流量的熱流量=散熱黃銅盤散熱黃銅盤C的散熱速率的散熱速率散熱穩態CtQtQB 即有:（2）物體的散熱速率與冷卻速率之間的關系物體的散熱速率與冷卻速率之間的關系（3）m 是散熱黃銅的質量，是散熱黃銅的質量，c 是黃銅比熱容。是黃銅比熱容。 考慮到散熱盤C的上表面是被樣品盤B覆蓋著，通過樣品盤B的熱流量應和散熱黃銅盤散熱黃銅

6、盤C向側面和下面的散熱速率相同，修正（3）式，即有：單獨測量單獨測量2TTCtTmctQ散熱CCCCCCTTChRRhRRtTtQ222cm222散熱(4)11 2211222BCCBCCRTThRhhRtTcm由（由（1）、（）、（2）、（）、（4）式得）式得導熱系數：導熱系數： 測試儀表測試儀表測試架測試架測試儀表測試儀表 13PID智能溫度控制器智能溫度控制器設定溫度設定溫度控制器面板布置圖（見圖）：例如需要設置加熱溫度為60，具體操作步驟如下：1先按設定鍵SET 0.5秒，進入溫度設置數。數字閃爍的位數即是可以進行調整的位數。3按上調鍵或下調鍵確定這一位數值，按此辦法，直到各位數值符合

7、設定溫度值。4再按設定鍵SET 1次，設定工作完成。如需要改變溫度設置，只要重復以上步驟就可。14測試架測試架15樣樣 品品環氧盤環氧盤硅橡膠盤硅橡膠盤一一、測量、測量散熱盤散熱盤C和待測樣品和待測樣品B的直徑、厚度的直徑、厚度；用游標卡尺，分別在不同位置測五組。用游標卡尺，分別在不同位置測五組。18二、固體導熱系數的測量二、固體導熱系數的測量：1連接導線：實驗時，在儀器機箱的后部根據指示牌所指示內容（溫度傳感器、加熱電源、風扇電源），用三根專用導線與測試支架上的三個插座連接，兩個鉑電阻測溫傳感器導線接到測試支架的切換開關上的插座中，通過切換開關后與儀器機箱前面板上左側的“測溫傳感器”插座相聯

8、。2安裝待測樣品：在支架上先放上散熱圓銅盤C，再在C的上面放上待測樣品盤B，然后再把帶發熱器的圓鋁盤A放在盤B上，再調節三個螺栓，使樣品盤的上下兩個表面與發熱鋁盤A和散熱銅盤P密切接觸。將兩個鉑電阻測溫傳感器分別插入發熱鋁盤A（上盤）和散熱銅盤C（下盤）上的小孔中。3設置加溫上限溫度：接通電源，在“溫度控制”儀表上設置加溫的上限溫度如60（PID 智能溫度控制器的具體操作見附錄），不要超過100。4測量穩態溫度：打開加熱開關，每隔2分鐘記下散熱銅盤C的溫度，當發熱鋁盤A、散熱銅盤C的溫度不再上升時（大約需要加熱35分鐘左右），說明系統己達到穩態，這時每隔 5 分鐘測量并記錄T1和T2的值。5.

9、散熱速率的測量：在讀得穩態時的T1、T2后，即可將 B 盤移去，而使發熱鋁盤 A 的底面與散熱銅盤 C 直接接觸。當 C盤的溫度上升到高于穩態時的T2值若干攝氏度（例如5左右）后，再將發熱鋁盤 A 移開，讓散熱銅盤 C 自然冷卻。測量散熱盤的溫度T隨時間 t 的變化關系，每隔30秒記錄一次溫度T，直至溫度到T2之下若干攝氏度為止。根據測量值可以計算出C盤散熱速率 。6如果還要測量另一種材料的導熱系數，可打開軸流式風扇，待散熱盤C的溫度接近室溫后再關上風扇。接下來重復步驟25即可。數據處理數據處理 1. 散熱盤C的有關物性參數：銅的比熱C=385J/(kg)，密度=8.9g/cm3 2.根據表3的數據，計算散熱盤C穩態時在T2附近的冷卻速率。計算出樣品材料的導熱系數，求出不確定度，并寫出結果表達式。 說明：說明：（長度、質