固體導(dǎo)熱系數(shù)的測定

固體導(dǎo)熱系數(shù)的測定東南大學(xué)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(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象叫做熱傳導(dǎo)。熱交換有三種基本形式：導(dǎo)熱、對流和輻射。

導(dǎo)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(dǎo)熱性能的測量對工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個研究領(lǐng)域都有重要意義。

導(dǎo)熱系數(shù)（又稱導(dǎo)熱率）是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量，不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力以及雜質(zhì)含量等相聯(lián)系，所以在科學(xué)實驗和工程設(shè)計中，材料的導(dǎo)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(xué)家傅立葉就已根據(jù)實驗得到熱傳導(dǎo)基本關(guān)系，并在其著作《熱的解析理論》中詳細的提出了熱傳導(dǎo)定律。目前各種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都建立在傅立葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)上。目前，測量導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)。J.B.J.Fourier(1786-1830)實驗原理熱傳導(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(nèi)通過截面積dS的熱量），那么傳導(dǎo)定律可表示成：

利用上式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決兩個關(guān)鍵的問題：

Ⅰ.如何在材料內(nèi)造成一個溫度梯度并確定其數(shù)值；

Ⅱ.如何測量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。導(dǎo)熱系數(shù)：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內(nèi)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(nèi)通過某一截面積的熱量是一個無法直接測定的量，我們設(shè)法將這個量轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)修正為：代入熱傳導(dǎo)定律表達式，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)：實驗儀器本實驗主要儀器有：YBF-5型導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)扇（實驗完畢，給系統(tǒng)散熱）溫度控制器溫控開關(guān)計時秒表測溫PT100樣品膠木板硅橡膠實驗內(nèi)容根據(jù)我們推導(dǎo)出的導(dǎo)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?；緟?shù)的測定：

用游標卡尺測量樣品、下銅盤的幾何尺寸和質(zhì)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(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上、下銅盤接觸良好（可配合塞尺進行調(diào)節(jié)）。熱電偶插入銅盤上的小孔時，要抹上些導(dǎo)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(shè)定加熱溫度：按一下溫控器面板上設(shè)定鍵（S），此時設(shè)定值（SV）顯示屏一位數(shù)碼管開始閃爍。再按設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)的溫度，待下銅板的溫度讀書在3分鐘內(nèi)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(dāng)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(dǎo)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