熱導(dǎo)系數(shù)的測定實驗報告

1、導(dǎo)熱系數(shù)測定實驗報告實驗器材：1. 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀主機1臺。2. 電源線1根。3. 專用測量熱電偶2根。4. 保溫杯1只。5. 測試樣品。6. 使用說明書，產(chǎn)品合格證。實驗原理：為了測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，首先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手、熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一為止Z0處到一個垂直截面積ds以dT/dz表示在Z處的溫度梯度，以dQ/dt表示在該處的傳熱速度，那么傳熱定律可表示為：dQ=- (dT/dz)Z0*dS*dt式中的符號表示熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)。比例系數(shù) 即為一個單位的情況下，單位內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。利用該式測量材料的導(dǎo)熱系

2、數(shù) ，需解決的關(guān)鍵問題有兩個：一個是在材料內(nèi)造成一個溫度梯度dT/dz并確定其數(shù)值；另一個測量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率dQ/dt。1.關(guān)于溫度梯度dT/dz為了在樣品內(nèi)造成一個溫度的梯度分布。可以把樣品加工成平板狀，并把夾在兩塊良導(dǎo)體銅板之間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h<<D。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散區(qū)的熱量可以忽略不計，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即住在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達到平衡時，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一

3、平行平面上各處的溫度也相同。這樣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(nèi)的溫度梯度（T1-T2）/h，當(dāng)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(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測量不準(zhǔn)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(guān)于傳熱速率dQ/dt單位時間內(nèi)通過一截面積的熱量dQ/dt是一個無法直接測量的量，我們設(shè)法將這個量轉(zhuǎn)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(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率和散熱速率相等時，系

4、統(tǒng)就達到一個動態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內(nèi)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(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與冷卻速率有關(guān)，其表達式為：dQ/dt|T2=-mc*dT/dt|T2式中的m為銅板的質(zhì)量，c為銅板的比熱容，符號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質(zhì)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(zhuǎn)化為對低溫側(cè)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(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高于溫度T2，

5、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(guān)系，描繪出T-t曲線，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。應(yīng)該注意的是，這樣得出的dT/dt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+2Rphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而在實驗中穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)時，銅板散熱速率的表達式應(yīng)修正為dQ/dt=-mc*dt/dt*(Rp2+2Rphp)/(2Rp2+2Rphp)根據(jù)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(dǎo)

6、定律表達式，并考慮到ds=R2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)： =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、C為銅板的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。上式中的各項均為常量或者直接易測量。實驗步驟：1. 用自定量具測量樣品、下銅板幾個尺寸和質(zhì)量等必要參數(shù)，多次測量，取平均值。其中下銅板比熱容C=0.385KJ/(K.KG).2. 放置好等測樣品及下銅板，調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上下銅板接觸良好，安置圓筒、圓盤時，須使放置熱電偶的圓孔與杜瓦瓶同一側(cè)。熱電偶插

7、入銅板上的小孔時，要抹上硅脂，并插到銅孔底部，使熱電偶測溫度端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。3. 合上“加熱開關(guān)”，參照智能溫度控制器使用說明書上設(shè)定好銅板的溫度，并對其加熱。4. 上銅板加熱到設(shè)定溫度時，同時通過熱電偶選通開關(guān)，將信號選通開關(guān)打在(I)上測量上銅板的溫度。當(dāng)其保持不變時，記錄下此時上銅板溫度T1，在不斷的給上銅板加熱時，熱量通過樣品不斷傳送給下銅板，經(jīng)過一定的時間后，當(dāng)下銅板的溫度保持不變后，將信號選通開關(guān)打在(II)上，測量下銅板的溫度，記錄下此時下銅板溫度T2。此時認(rèn)為已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)（大約在兩分鐘內(nèi)銅板的溫度保持不變）。5. 移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當(dāng)下銅

8、板的溫度比T2高出10左右時，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數(shù)據(jù)，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。6. 根據(jù)(S1-4)計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。7. 設(shè)置不同的上銅板加熱溫度，在設(shè)定加熱溫度時，須高出室溫30，設(shè)定不同的加熱溫度，測量出不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。實驗注意事項1. 穩(wěn)態(tài)測量時，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時每隔30s記下樣品上下圓盤A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時T1，T2的值。2. 測金屬的導(dǎo)

9、熱系數(shù)時，T1，T2值為穩(wěn)態(tài)時，金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤P的溫度為T3，因此測量P盤的冷卻速率應(yīng)為：測T3時，要在T1，T2達到穩(wěn)態(tài)時，將上面測T1和T2的熱電偶移下來進行測量。3. 圓筒發(fā)熱體盤側(cè)面和散熱盤P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，安放發(fā)熱盤時此二小孔都應(yīng)與杜瓦斯瓶在同一側(cè)，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，熱電偶冷端浸入冰水混合物中。4. 移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當(dāng)下銅板的溫度比T3高出10左右時，移去圓筒，讓下銅板所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30s讀一次下銅板的溫度并記錄下數(shù)據(jù)，直至溫度下降到T2以下一定值

10、。作銅板的T-t的冷卻速率曲線（選取鄰近的T2測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。儀器維護與保養(yǎng)：1. 使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦干凈，可涂上少量硅油，以保證接觸良好。2. 實驗過程中，如若移動電熱板，應(yīng)先關(guān)閉電源。移開熱圓筒時，手應(yīng)拿住固定軸轉(zhuǎn)動，以免燙傷手。3. 實驗結(jié)束后，應(yīng)先切斷電源，并保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的精確度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時先查熱電偶及各個環(huán)節(jié)的接觸是否良好。4. 儀器在搬運及放置時，應(yīng)避免強烈的震動和受到撞擊。5. 儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗?，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度不應(yīng)少于80%。6. 儀器使用時，應(yīng)

11、避免周圍有強烈磁場源的地方。7. 長期放置不用后再次使用時，請先加電預(yù)熱30min后使用。數(shù)據(jù)處理1、對橡膠盤導(dǎo)熱率的測量R64.95mmh9.80mmRp64.80mmhp8.44mmm818g實際測量數(shù)據(jù)90攝氏度T1T2攝氏度92.273.882.480.979.678.376.975.774.473.372此時dT/dt|T=T2為0.043K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.303W/(m*K)。85攝氏度T1T2攝氏度87.8677674.973.672.571.370.269.

12、168.167此時dT/dt|T=T2為0.0376K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.235W/(m*K)。80攝氏度T1T2攝氏度82.464.174.273.171.970.769.568.467.366.365.364.3此時dT/dt|T=T2為0.037K/s。通過 =-mc*(2hp+Rp)/(2hp+2Rp)*1/(R2)*h/(T1-T2)*dT/dt|T=T2，可以算出導(dǎo)熱系數(shù)為0.264W/(m*K)。得橡膠盤的平均導(dǎo)熱率=（0.303+0.235+0.264）/3=0.267 W/(m*K)2、對鋁芯導(dǎo)熱率的測量h76.85mmR20.05mm實際測量數(shù)據(jù)90攝氏度T1T2T3攝氏度83.778.271.