固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定東南大學(xué)物理系背景介紹由于溫度不均勻，熱量會(huì)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(duì)流和輻射。

導(dǎo)熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)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(cè)量對(duì)工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個(gè)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(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定。早在19世紀(jì)初，法國(guó)科學(xué)家傅立葉就已根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xì)的提出了熱傳導(dǎo)定律。目前各種測(cè)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(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。本實(shí)驗(yàn)采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。J.B.J.Fourier(1786-1830)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題：

Ⅰ.如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度并確定其數(shù)值；

Ⅱ.如何測(cè)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(gè)單位的情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過截面單位面積的熱量。Ⅰ.測(cè)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(wú)縫隙。Ⅱ.測(cè)量傳熱速率單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面積的熱量是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較容易測(cè)量的量。穩(wěn)態(tài)時(shí)：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(cè)出下銅板在T2時(shí)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(cè)量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)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(cè)出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，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(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)：實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)主要儀器有：YBF-5型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)試材料，測(cè)試連接線，塞尺、游標(biāo)卡尺等。YBF-5型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀防護(hù)罩

加熱盤(上銅板A）樣品位置

散熱盤（下銅板P）

風(fēng)扇（實(shí)驗(yàn)完畢，給系統(tǒng)散熱）溫度控制器溫控開關(guān)計(jì)時(shí)秒表測(cè)溫PT100樣品膠木板硅橡膠實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟大致分為三步：Ⅰ.基本參數(shù)的測(cè)定（m、hp、Rp、R、h）；Ⅱ.測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)上下銅板的溫度（T1、T2）；Ⅲ.測(cè)定下銅板在T2的冷卻速率。基本參數(shù)的測(cè)定：

用游標(biāo)卡尺測(cè)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(cè)量取平均值。其中銅板的比熱容c=0.385kJ/（K·kg）；測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)上下銅板的溫度：1、先放置好下銅盤（散熱盤）及待測(cè)樣品，按壓加熱盤連接桿頂部，使上銅盤與待測(cè)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(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上、下銅盤接觸良好（可配合塞尺進(jìn)行調(diào)節(jié)）。熱電偶插入銅盤上的小孔時(shí)，要抹上些導(dǎo)熱硅脂，并插到洞孔底部，使PT100測(cè)溫端與銅盤接觸良好，默認(rèn)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(shí)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(dòng)到所需修改的位置，通過加數(shù)鍵（▲）、減數(shù)鍵（▼）來(lái)設(shè)定好實(shí)驗(yàn)所需的加熱溫度。數(shù)碼管等待8秒鐘后自動(dòng)停止閃爍，返回至正常顯示狀態(tài)。綠色為測(cè)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(duì)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(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時(shí)的T1和T2值。

測(cè)定下銅板在T2的冷卻速率：

記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)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(duì)下銅板加熱，當(dāng)下銅板溫度比T2高出10℃左右時(shí)，向上移開上銅板加熱盤（盡可能遠(yuǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率）。根據(jù)公式計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

注意事項(xiàng)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(shí)驗(yàn)的精度