導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

1、杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)4 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心前言前言實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)問題與討論問題與討論杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)重導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)重要參數(shù)，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中都要涉及這個(gè)參數(shù)。要參數(shù)，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中都要涉及這個(gè)參數(shù)。材料按導(dǎo)熱性能，可分為良導(dǎo)體和不良導(dǎo)體，通常導(dǎo)電材

2、料按導(dǎo)熱性能，可分為良導(dǎo)體和不良導(dǎo)體，通常導(dǎo)電材料大部分是熱的良導(dǎo)體。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定大體上分為材料大部分是熱的良導(dǎo)體。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定大體上分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)平板法是測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)平板法是測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的一種常用方法，該法也可測(cè)量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。本的一種常用方法，該法也可測(cè)量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)。前言前言杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律，掌握穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)、了解熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律，掌握穩(wěn)態(tài)平板法測(cè) 材料導(dǎo)熱系

3、數(shù)的方法。材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法。2 2、利用物體的散熱速率求傳熱速率。、利用物體的散熱速率求傳熱速率。3 3、學(xué)會(huì)用熱電偶測(cè)量溫度。、學(xué)會(huì)用熱電偶測(cè)量溫度。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心1. 熱傳導(dǎo)定律熱傳導(dǎo)定律 當(dāng)物體內(nèi)部各處的溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫當(dāng)物體內(nèi)部各處的溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳遞到溫度較低處，這種現(xiàn)象叫熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。度較高處傳遞到溫度較低處，這種現(xiàn)象叫熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。傅里葉提出傅里葉提出: :如果熱量沿著如果熱量沿著x方向傳導(dǎo)，那么在方向傳導(dǎo)，那么在x軸上任軸上任意位置意位置x0處取一個(gè)垂直截面處取一個(gè)垂直截面S（如圖），以（

4、如圖），以 表示在表示在x處處的溫度梯度，那么在時(shí)間的溫度梯度，那么在時(shí)間t內(nèi)通過截面積內(nèi)通過截面積S所傳遞的所傳遞的熱量熱量Q為為實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理dxdT杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心這就是傅立葉熱傳導(dǎo)定律。這就是傅立葉熱傳導(dǎo)定律。式中負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低穩(wěn)區(qū)傳導(dǎo)（即傳導(dǎo)式中負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低穩(wěn)區(qū)傳導(dǎo)（即傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù) 即為導(dǎo)熱系數(shù)，它即為導(dǎo)熱系數(shù)，它表示相距單位長(zhǎng)度的兩平面的溫表示相距單位長(zhǎng)度的兩平面的溫度相差為一個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積度相差為一個(gè)單位時(shí)

5、，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量，單位是瓦所傳遞的熱量，單位是瓦米米-1 -1 開開-1-1（W W m m- -1 1K K-1-1）。）。SdxdTtQ杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心2.穩(wěn)態(tài)法測(cè)傳熱速率穩(wěn)態(tài)法測(cè)傳熱速率 待測(cè)樣品上下表面與發(fā)熱盤和散熱盤緊密接觸，熱量由待測(cè)樣品上下表面與發(fā)熱盤和散熱盤緊密接觸，熱量由發(fā)熱盤通過樣品上表面?zhèn)魅?，并由樣品下表面向散熱盤發(fā)熱盤通過樣品上表面?zhèn)魅?，并由樣品下表面向散熱盤散發(fā)。散發(fā)。 樣品樣品發(fā)熱盤發(fā)熱盤 （黃銅盤）（黃銅盤） 散熱盤（黃銅盤）散熱盤（黃銅盤）截面面積截面面積Sh1熱量熱量測(cè)量樣品導(dǎo)熱系數(shù)

6、的實(shí)驗(yàn)裝置如圖測(cè)量樣品導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心當(dāng)樣品上下表面溫度可以認(rèn)為是均勻分布，且樣品當(dāng)樣品上下表面溫度可以認(rèn)為是均勻分布，且樣品盤厚度盤厚度h1不很大可忽略樣品側(cè)面散熱的影響時(shí)，傅立葉不很大可忽略樣品側(cè)面散熱的影響時(shí)，傅立葉熱傳導(dǎo)定律可改寫為：熱傳導(dǎo)定律可改寫為：ShTTt121Q當(dāng)當(dāng)T1、T2穩(wěn)定時(shí)，通過樣品的傳熱率和黃銅盤向穩(wěn)定時(shí)，通過樣品的傳熱率和黃銅盤向側(cè)面和下表面的散熱率相同。側(cè)面和下表面的散熱率相同。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心202101QTTTTtqt式中式中

7、 是樣品的傳熱速率，是樣品的傳熱速率， 是黃銅盤的散熱速率，是黃銅盤的散熱速率， T10、T20是熱穩(wěn)態(tài)樣品上下表面溫度。由此可知，只要是熱穩(wěn)態(tài)樣品上下表面溫度。由此可知，只要求得熱穩(wěn)態(tài)時(shí)黃銅盤的散熱速率求得熱穩(wěn)態(tài)時(shí)黃銅盤的散熱速率 ，即可求得樣品的，即可求得樣品的導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)熱系數(shù) 。tQtqtq黃銅盤的散熱速率：黃銅盤的散熱速率：202202TTTTtTmctq杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心式中式中k是黃銅散熱盤的冷卻速率，是黃銅散熱盤的冷卻速率，m是黃銅盤質(zhì)量，是黃銅盤質(zhì)量，c是黃是黃銅比熱（銅比熱（c=3.77102J/kgk）。）。202TTt

8、Tk那么樣品的那么樣品的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 21212114TTdmckhTTsmckhd是樣品盤的直徑。是樣品盤的直徑。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心3、散熱盤冷卻速率、散熱盤冷卻速率 冷卻速率的定義是單位時(shí)間內(nèi)溫度的改變量冷卻速率的定義是單位時(shí)間內(nèi)溫度的改變量tTk它和材料、表面情況、周圍環(huán)境的溫差有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)它和材料、表面情況、周圍環(huán)境的溫差有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中的中的k是穩(wěn)態(tài)（是穩(wěn)態(tài)（T=T20）時(shí)的）時(shí)的冷卻速率，測(cè)量方法如下：冷卻速率，測(cè)量方法如下：測(cè)好測(cè)好T10、T20后將樣品盤抽去，使發(fā)熱盤與散熱盤直接接后將樣品盤抽去，使發(fā)熱盤與散熱盤直接接觸，

9、使散熱盤溫度高于觸，使散熱盤溫度高于T20 ，再冷卻，測(cè)出，再冷卻，測(cè)出T-t變化關(guān)系，變化關(guān)系，并作冷卻曲線。并作冷卻曲線。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心求出求出T=T20時(shí)切線的斜率時(shí)切線的斜率K（即冷卻速率）（即冷卻速率）T20注意：測(cè)冷卻速率時(shí)，散熱盤散熱環(huán)境應(yīng)和測(cè)穩(wěn)態(tài)溫度注意：測(cè)冷卻速率時(shí)，散熱盤散熱環(huán)境應(yīng)和測(cè)穩(wěn)態(tài)溫度T10、T20時(shí)相同。散熱面積不同時(shí)，應(yīng)予修正。時(shí)相同。散熱面積不同時(shí)，應(yīng)予修正。散熱穩(wěn)態(tài)SSkk穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱面積穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱面積散熱時(shí)散熱面積散熱時(shí)散熱面積杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)

10、驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器游標(biāo)卡尺游標(biāo)卡尺物理天平物理天平測(cè)試樣品：硬鋁、橡皮測(cè)試樣品：硬鋁、橡皮圓盤圓盤FD-TC-型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心儀器簡(jiǎn)介儀器簡(jiǎn)介杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心固定于底座上的個(gè)測(cè)微螺旋頭支撐著一個(gè)散熱圓銅固定于底座上的個(gè)測(cè)微螺旋頭支撐著一個(gè)散熱圓銅盤，在散熱盤上安放一待測(cè)圓柱或圓盤樣品，樣品上盤，在散熱盤上安放一待測(cè)圓柱或圓盤樣品，樣品上再安放一加熱圓盤；使樣品上下表面維持溫度再安放一加熱圓盤；使樣品上下表面維持溫度T1、T，T1、T的值用安插在加熱圓盤、散

11、熱銅盤深孔中的值用安插在加熱圓盤、散熱銅盤深孔中的熱電偶來測(cè)量（熱電偶接數(shù)字電壓表），熱電偶冷的熱電偶來測(cè)量（熱電偶接數(shù)字電壓表），熱電偶冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，單刀雙擲開關(guān)用來變端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，單刀雙擲開關(guān)用來變換熱電偶的測(cè)量回路。數(shù)字電壓表用來測(cè)量溫差電動(dòng)換熱電偶的測(cè)量回路。數(shù)字電壓表用來測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)。勢(shì)。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 1 1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品和散熱盤的直徑、用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品和散熱盤的直徑d d和高度和高度h h。 2 2、用物理天平稱衡散熱盤的質(zhì)量、用物理天平稱衡散熱盤的質(zhì)量m m。3 3、安裝、

12、調(diào)整整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。、安裝、調(diào)整整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。（1 1）將樣品盤放在散熱盤和發(fā)熱盤之間，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使樣）將樣品盤放在散熱盤和發(fā)熱盤之間，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使樣品盤上下兩表面與散熱盤和發(fā)熱盤緊密接觸。品盤上下兩表面與散熱盤和發(fā)熱盤緊密接觸。（2 2）將銅）將銅- -康銅熱電偶熱端插入散熱盤和發(fā)熱盤側(cè)面小康銅熱電偶熱端插入散熱盤和發(fā)熱盤側(cè)面小孔中，保證熱電偶熱端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插入孔中，保證熱電偶熱端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插入杜瓦瓶的冰水混合物中。杜瓦瓶的冰水混合物中。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心4 4、測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品盤上下兩個(gè)表面的溫

13、度測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品盤上下兩個(gè)表面的溫度T T1 1和和T T2 2。 將發(fā)熱板電源電壓打到將發(fā)熱板電源電壓打到220V220V檔，并打開冷卻風(fēng)扇。檔，并打開冷卻風(fēng)扇。當(dāng)發(fā)熱盤溫度達(dá)到當(dāng)發(fā)熱盤溫度達(dá)到4.00mV4.00mV后即可將開關(guān)轉(zhuǎn)換到后即可將開關(guān)轉(zhuǎn)換到110V110V檔，檔，每隔每隔3min3min左右記錄一次發(fā)熱盤和散熱盤的溫度值（數(shù)字左右記錄一次發(fā)熱盤和散熱盤的溫度值（數(shù)字電壓表的讀數(shù)）。若連續(xù)電壓表的讀數(shù)）。若連續(xù)10min10min發(fā)熱盤和散熱盤的溫度發(fā)熱盤和散熱盤的溫度保持不變（電壓表讀數(shù)末位數(shù)相差保持不變（電壓表讀數(shù)末位數(shù)相差1 1 2 2），即可認(rèn)為已），即可認(rèn)為已達(dá)到熱穩(wěn)定

14、狀態(tài)。記下此時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)并查表得達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。記下此時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)并查表得出相應(yīng)的溫度出相應(yīng)的溫度T T1 1和和T T2 2 。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心5 5、測(cè)散熱盤冷卻速率。、測(cè)散熱盤冷卻速率。 取出樣品，使發(fā)熱盤與散熱盤直接接觸，再加熱。取出樣品，使發(fā)熱盤與散熱盤直接接觸，再加熱。當(dāng)散熱盤溫度比穩(wěn)態(tài)時(shí)的當(dāng)散熱盤溫度比穩(wěn)態(tài)時(shí)的T T2 2高出約高出約2020（電壓表讀數(shù)約（電壓表讀數(shù)約增加增加0.8mV0.8mV）時(shí)，停止加熱，移去加熱盤，并覆蓋原樣品）時(shí)，停止加熱，移去加熱盤，并覆蓋原樣品盤，讓散熱盤在風(fēng)扇作用下冷卻，并馬上每

15、隔盤，讓散熱盤在風(fēng)扇作用下冷卻，并馬上每隔30s30s記錄一記錄一次散熱盤的溫度值，直到電壓表讀數(shù)比穩(wěn)態(tài)時(shí)低約次散熱盤的溫度值，直到電壓表讀數(shù)比穩(wěn)態(tài)時(shí)低約0.5mV0.5mV為止。為止。 以時(shí)間為以時(shí)間為X X軸，溫度為軸，溫度為Y Y軸作出散熱盤的冷卻曲線軸作出散熱盤的冷卻曲線，畫出經(jīng)過冷卻曲線上，畫出經(jīng)過冷卻曲線上T T2 2點(diǎn)的切線，其斜率即為溫度點(diǎn)的切線，其斜率即為溫度T T2 2時(shí)時(shí)散熱盤的冷卻速率散熱盤的冷卻速率。杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理1 1、根據(jù)、根據(jù)計(jì)算計(jì)算 及其不確定度，正確表示結(jié)果。及其不確定度，正確表示結(jié)

16、果。2、將測(cè)得樣品的、將測(cè)得樣品的 與標(biāo)準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)值 0比較，計(jì)算百分誤差比較，計(jì)算百分誤差。21214TTdmckh杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心1 1、熱電偶絲較細(xì)，操作時(shí)應(yīng)小心，以免折斷。、熱電偶絲較細(xì)，操作時(shí)應(yīng)小心，以免折斷。 2 2、熱電偶測(cè)溫點(diǎn)必須與被測(cè)物體接觸良好。、熱電偶測(cè)溫點(diǎn)必須與被測(cè)物體接觸良好。 3 3、放置冰塊時(shí)應(yīng)小心輕放，以免打破杜瓦瓶。、放置冰塊時(shí)應(yīng)小心輕放，以免打破杜瓦瓶。4 4、實(shí)驗(yàn)中加熱盤、樣品、散熱盤等溫度比較高，注意、實(shí)驗(yàn)中加熱盤、樣品、散熱盤等溫度比較高，注意避免燙傷。避免燙傷。 5、在測(cè)冷卻速率時(shí)，移開發(fā)熱盤后

17、必須將它緊緊固定、在測(cè)冷卻速率時(shí)，移開發(fā)熱盤后必須將它緊緊固定在機(jī)架上，以防在實(shí)驗(yàn)過程中下滑而造成事故在機(jī)架上，以防在實(shí)驗(yàn)過程中下滑而造成事故。注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心1 1、求冷卻速率時(shí)、求冷卻速率時(shí), ,為什么要在散熱盤穩(wěn)態(tài)為什么要在散熱盤穩(wěn)態(tài) 溫度附近選值？溫度附近選值？ 2 2、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù), ,要求哪些實(shí)驗(yàn)條要求哪些實(shí)驗(yàn)條 件？在實(shí)驗(yàn)中如何確定和保證？件？在實(shí)驗(yàn)中如何確定和保證？3 3、在測(cè)定散熱盤的散熱曲線時(shí)，若散熱盤、在測(cè)定散熱盤的散熱曲線時(shí)，若散熱盤 上不覆蓋原樣品盤，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有上不

18、覆蓋原樣品盤，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有 影響，為什么？影響，為什么？ 問題與討論問題與討論杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電