固體導熱系數(shù)的測定東南大學物理系背景介紹由于溫度不均勻，熱量會從溫度高的地方向溫度低的地方轉移，這種現(xiàn)象叫做熱傳導。熱交換有三種基本形式：導熱、對流和輻射。

導熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對宏觀位移情況下由于溫差引起的熱量的傳遞過程。材料導熱性能的測量對工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環(huán)保等各個研究領域都有重要意義。

導熱系數(shù)（又稱導熱率）是反映材料導熱性能的物理量，不僅與構成材料的物質種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、壓力以及雜質含量等相聯(lián)系，所以在科學實驗和工程設計中，材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法來測定。早在19世紀初，法國科學家傅立葉就已根據(jù)實驗得到熱傳導基本關系，并在其著作《熱的解析理論》中詳細的提出了熱傳導定律。目前各種測量導熱系數(shù)的方法都建立在傅立葉熱傳導定律基礎上。目前，測量導熱系數(shù)的方法可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導熱系數(shù)。J.B.J.Fourier(1786-1830)實驗原理熱傳導定律指出：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，以

表示在z處的溫度梯度，以

表示該處的傳熱速率（單位時間內通過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成：

利用上式測量材料的導熱系數(shù)λ，需解決兩個關鍵的問題：

Ⅰ.如何在材料內造成一個溫度梯度并確定其數(shù)值；

Ⅱ.如何測量材料內由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。導熱系數(shù)：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內垂直通過截面單位面積的熱量。Ⅰ.測量溫度梯度上銅板A樣品B下銅板p加熱傳熱散熱Dh穩(wěn)定溫度T1穩(wěn)定溫度T2要求：1.樣品加工成和上下加熱銅板等大的圓，且h<<D；2.銅板與樣品表面緊密接觸無縫隙。Ⅱ.測量傳熱速率單位時間內通過某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容易測量的量。穩(wěn)態(tài)時：加熱速率=傳熱速率=散熱速率，因此利用銅板的散熱速率與冷卻速率的關系：銅板A加熱樣品B傳熱銅板P散熱只要測出下銅板在T2時的冷卻速率就能得出樣品的傳熱速率！

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銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2（大約高出10℃左右），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（如下圖），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。銅板A加熱銅板P散熱

應該注意的是，這樣得出的是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，而在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面是被樣品覆蓋的，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：代入熱傳導定律表達式，即可得到導熱系數(shù)：實驗儀器本實驗主要儀器有：YBF-5型導熱系數(shù)測定儀，測試材料，測試連接線，塞尺、游標卡尺等。YBF-5型導熱系數(shù)測定儀防護罩

加熱盤(上銅板A）樣品位置

散熱盤（下銅板P）

風扇（實驗完畢，給系統(tǒng)散熱）溫度控制器溫控開關計時秒表測溫PT100樣品膠木板硅橡膠實驗內容根據(jù)我們推導出的導熱系數(shù)的公式：可以把實驗步驟大致分為三步：Ⅰ.基本參數(shù)的測定（m、hp、Rp、R、h）；Ⅱ.測量穩(wěn)態(tài)時上下銅板的溫度（T1、T2）；Ⅲ.測定下銅板在T2的冷卻速率。基本參數(shù)的測定：

用游標卡尺測量樣品、下銅盤的幾何尺寸和質量等必要的物理量，多次測量取平均值。其中銅板的比熱容c=0.385kJ/（K·kg）；測量穩(wěn)態(tài)時上下銅板的溫度：1、先放置好下銅盤（散熱盤）及待測樣品，按壓加熱盤連接桿頂部，使上銅盤與待測樣品接觸緊密后，固定桿位置。調節(jié)下圓盤托架上的三個微調螺絲，使待測樣品與上、下銅盤接觸良好（可配合塞尺進行調節(jié)）。熱電偶插入銅盤上的小孔時，要抹上些導熱硅脂，并插到洞孔底部，使PT100測溫端與銅盤接觸良好，默認PT100Ⅰ接上銅盤（加熱），PT100Ⅱ接下銅盤（散熱）。2、設定加熱溫度：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(shù)碼管開始閃爍。再按設定鍵（S）左右移動到所需修改的位置，通過加數(shù)鍵（▲）、減數(shù)鍵（▼）來設定好實驗所需的加熱溫度。數(shù)碼管等待8秒鐘后自動停止閃爍，返回至正常顯示狀態(tài)。綠色為測量值，紅色為設定值。3、待上銅盤的溫度穩(wěn)定后，觀察下銅盤的溫度變化情況，每隔30秒左右記錄上、下銅板A和P對應的溫度，待下銅板的溫度讀書在3分鐘內變化小于0.1℃，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時的T1和T2值。

測定下銅板在T2的冷卻速率：

記錄穩(wěn)態(tài)時的T1和T2值后，松開上銅板使用工具移去樣品，通過上銅板繼續(xù)對下銅板加熱，當下銅板溫度比T2高出10℃左右時，向上移開上銅板加熱盤（盡可能遠離下銅板），讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使其自然冷卻。每隔10~30秒讀一次下銅板的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T—t冷卻速率曲線。（選取臨近T2的測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。根據(jù)公式計算樣品的導熱系數(shù)λ。

注意事項1、使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈，樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。不要使樣品兩端劃傷，以免影響實驗的精度