穩(wěn)態(tài)法測量不良導體的導熱系數學生：張荀學號：3080831013【實驗目的】1．了解熱傳導現(xiàn)象；2．學習用穩(wěn)態(tài)法測非良導體的導熱系數；3．學會用作圖法求冷卻速率。【實驗原理】1898年C.H.Lees首先使用平板法測量不良導體的導熱系數，這是一種穩(wěn)態(tài)法，實驗中，樣品制成平板狀，其上端面與一個穩(wěn)定的均勻發(fā)熱體充分接觸，下端面與一均勻散熱體相接觸。由于平板樣品的側面積比平板平面小很多，可以認為熱量只沿著上下方向垂直傳遞，橫向由側面散去的熱量可以忽略不計，即可以認為，樣品內只有在垂直樣品平面的方向上有溫度梯度，在同一平面內，各處的溫度相同。設穩(wěn)態(tài)時，樣品的上下平面溫度分別為9、9,根據傅立葉傳導方程，在At12時間內通過樣品的熱量AQ滿足下式：(1)AQ=九1(1)At hB式中九為樣品的導熱系數，h為樣品的厚度，s為樣品的平面面積，實驗中樣品B為圓盤狀，設圓盤樣品的直徑為d，則由（1）式得:B(2)AQ(2)At 4hB實驗裝置如圖1所示，固定于底座的三個支架上，支撐著一個銅散熱盤P，散熱盤P可以借助底座內的風扇，達到穩(wěn)定有效的散熱。散熱盤上安放面積相同的圓盤樣品B，樣品B上放置一個圓盤狀加熱盤C，其面積也與樣品B的面積相同，加熱盤C是由單片機控制的自適應電加熱，可以設定加熱盤的溫度。當傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，樣品上下表面的溫度9和9不變，這時可以認為12加熱盤C通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤P向周圍環(huán)境散熱量相等。因此可以通過散熱盤P在穩(wěn)定溫度9時的散熱速率來求出熱流量AQ。2 At實驗時，當測得穩(wěn)態(tài)時的樣品上下表面溫度9和9后，將樣品B抽去，讓12加熱盤C與散熱盤P接觸，當散熱盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的92值20。C或者20°C以上后，移開加熱盤，讓散熱盤在電扇作用下冷卻，記錄散熱盤溫度9隨

時間t的下降情況，求出散熱盤在6時的冷卻速率A62At，則散熱盤P在6時26=62的散熱速率為：A9AQ=mcAt At時間t的下降情況，求出散熱盤在6時的冷卻速率A62At，則散熱盤P在6時26=62的散熱速率為：A9AQ=mcAt At(3)6巴其中m為散熱盤P的質量，c為其比熱容。在達到穩(wěn)態(tài)的過程中，P盤的上表面并未暴露在空氣中，而物體的冷卻速率與它的散熱表面積成正比，為此，穩(wěn)態(tài)時銅盤P的散熱速率的表達式應作面積修正：AQ A6 二mc—AtAt6=62(兀R2+2兀Rh)PPp(2兀R2+2兀Rh)PPP(4)其中R為散熱盤P的半徑,P由（2）式和（4）式可得：h為其厚度。P6-6九2兀4hB所以樣品的導熱系數九為：A6九=mc AtA6mc-Ato=o0=02(兀R2+2兀Rh)PPp(2kR2+2兀Rh)P(R+2h)pp _\o"CurrentDocument"(2R+2h)(6 -6)兀P P1 24hBPP(5)(6)實驗儀器】FD-TC-B型導熱系數測定儀裝置如圖1所示，它由電加熱器、銅加熱盤C,橡皮樣品圓盤B，銅散熱盤P、支架及調節(jié)螺絲、溫度傳感器以及控溫與測溫器組成。前視圖 后視圖前視圖 后視圖圖1FD-TC-B導熱系數測定儀裝置圖【實驗內容】1） 取下固定螺絲，將橡皮樣品放在加熱盤與散熱盤中間，橡皮樣品要求與加熱盤、散熱盤完全對準；要求上下絕熱薄板對準加熱和散熱盤。調節(jié)底部的三個微調螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好，但注意不宜過緊或過松；2） 按照圖1所示，插好加熱盤的電源插頭；再將2根連接線的一端與機殼相連，

另一有傳感器端插在加熱盤和散熱盤小孔中，要求傳感器完全插入小孔中，并在傳感器上抹一些硅油或者導熱硅脂，以確保傳感器與加熱盤和散熱盤接觸良好。在安放加熱盤和散熱盤時，還應注意使放置傳感器的小孔上下對齊。(注意：加熱盤和散熱盤兩個傳感器要一一對應，不可互換。)接上導熱系數測定儀的電源，開啟電源后，左邊表頭首先顯示從FDHC，然后顯示當時溫度，當轉換至b==?=，用戶可以設定控制溫度。設置完成按“確定”鍵，加熱盤即開始加熱。右邊顯示散熱盤的當時溫度。加熱盤的溫度上升到設定溫度值時，開始記錄散熱盤的溫度，可每隔一分鐘記錄一次，待在10分鐘或更長的時間內加熱盤和散熱盤的溫度值基本不變，可以認為已經達到穩(wěn)定狀態(tài)了。按復位鍵停止加熱，取走樣品，調節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，再設定溫度到80。C，加快散熱盤的溫度上升，使散熱盤溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的0值20°C左右即可。2移去加熱盤，讓散熱圓盤在風扇作用下冷卻，每隔10秒(或者30秒)記錄一次散熱盤的溫度示值，由臨近0值的溫度數據中計算冷卻速率竺 。2 At0七也可以根據記錄數據做冷卻曲線，用鏡尺法作曲線在0點的切線，根據切2線斜率計算冷卻速率。根據測量得到的穩(wěn)態(tài)時的溫度值0和0，以及在溫度0時的冷卻速率，由122\o"CurrentDocument"(R+2h)4h 1P P B—(2R+2h)(0 -0)兀d20=02 P P12 B數。公式九=A0me—At計算不良導體樣品的導熱系注意事項】1．為了準確測定加熱盤和散熱盤的溫度，實驗中應該在兩個傳感器上涂些導熱硅脂或者硅油，以使傳感器和加熱盤、散熱盤充分接觸；另外，加熱橡皮樣品的時候，為達到穩(wěn)定的傳熱，調節(jié)底部的三個微調螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤緊密接觸，注意不要中間有空氣隙；也不要將螺絲旋太緊，以影響樣品的厚度。2．導熱系數測定儀銅盤下方的風扇做強迫對流換熱用，減小樣品側面與底面的放熱比，增加樣品內部的溫度梯度，從而減小實驗誤差，所以實驗過程中，風扇一定要打開。樣品：橡皮；【數據記錄及處理】樣品：橡皮；室溫：6C；散熱盤質量：m=891.42g；散熱盤比熱容(紫銅)：C=385J/(散熱盤質量：m=891.42g；散熱盤厚度h(多次測量取平均值):P

散熱盤厚度次數123456平均值h/mm7.637.627.737.617.737.657.66' 散熱盤直徑次數123456平均值D/mm D 130.00129.98130.00129.99130.01130.00130.00橡皮樣品厚度次數123456平均值h/mm8.078.078.068.058.058.068.06橡皮樣品直徑次數123456平均值d/mm——B 129.22128.82128.92128.16129.00128.99128.85穩(wěn)態(tài)時（10分鐘內溫度基本保持不變）樣品上表面的溫度示值0二79.9。C,1樣品下表面溫度示值0二41.8。C；2每隔30秒記錄一次散熱盤冷卻時的溫度示值如下表記錄次數0123456789100/°C61.860.057.655.453.151.149.147.345.644.042.3記錄次數11121314151617181920210/C40.939.538.236.935.734.533.532.531.530.629.8用matlab作冷卻曲線得到：圖2散熱盤冷卻曲線取臨近02溫度的測量數據求出冷卻速率尋=—0.09914。0=41.8°C將以上數據代入公式（將以上數據代入公式（6）計算得到:. A0九=me AtTOC\o"1-5"\h\z(R+2h) 4hp P B(2R