1、導(dǎo)熱系數(shù)的測定 導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量，它不僅是評價材料的重要依據(jù)，而且是應(yīng)用材料時的一個設(shè)計參數(shù)，在加熱器、散熱器、傳熱管道設(shè)計、房屋設(shè)計等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)。因為材料的熱導(dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值，所以在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中對材料的熱導(dǎo)率常用實驗的方法測定。 測量熱導(dǎo)率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本測試儀采用穩(wěn)態(tài)法測量不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其設(shè)計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是熱學(xué)實驗中的一個重要內(nèi)容。 【實驗?zāi)康摹?1、了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過程 2、學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測

2、量材料的導(dǎo)熱系數(shù) 3.學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率 4、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進行溫度測量的方法 【實驗儀器】 1、YBF-3導(dǎo)熱系數(shù)測試儀一臺 2、冰點補償裝置一臺 3、測試樣品（硬鋁、硅橡膠、膠木板）一組 4、塞尺一把 【儀器簡介】儀器的面板圖 上面板圖 卜面板圖 加熱溫度的設(shè)定: .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。 .根據(jù)實驗所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵（S）左右移動到所需設(shè)定加置,然后通過加數(shù)鍵（八減數(shù)鍵（）來設(shè)定好所需的加熱溫度。 .設(shè)定好加熱溫度后，等待8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。 儀器的連接 ixtt 連線圖 從銅板上引出的熱電偶具冷端接至冰點

3、補償器的信號輸入端，經(jīng)冰點補償后由冰點補償器的信號輸出端接到導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的信號輸入端。 【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軸上任一位置Z0處取 一個垂直截面積dS（如圖1）以史表示在Z處的溫度梯度，以當(dāng)表示在該dzdt 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： dQ（一XSd1）dt dz 式中的負號表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)人即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見熱導(dǎo)率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內(nèi)垂直通過單位面

4、積截面的熱量。 利用（S1-1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)入，需解決的關(guān)鍵問題兩個：一個是 在材料內(nèi)造成一個溫度梯度區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。 dt 1、關(guān)于溫度梯度 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，并把它 盤口f51 工,并確定其數(shù)值；另一個是測量材料內(nèi)由高溫 dT dz .1上也若春運1，廿浪 6O liHi*制 ,bUqUR.庫崩百*.：i-tl&M,g. 夾在兩塊良導(dǎo)體一一銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度Ti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hD （樣品直徑）。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去

5、的熱量可 以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向 上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達到平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一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Ti、T2,就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度。 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)于傳熱速率竽 ”，一一dQ, 單位時間內(nèi)通過一截面積的熱量是一個無法直接測定的量，我們設(shè)法 dt 將這個量轉(zhuǎn)化為較為容易測量的

6、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)銅塊，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、傳熱速率與散熱速率相等時，系統(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，銅板的散熱速率與其冷卻速率（溫度變化率dT）有關(guān)，其表達式為： dt 式中m為銅板的質(zhì)量，c為銅板的比熱容，負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

7、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，使其的溫度高于穩(wěn)定溫度T2（大約高出10c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-1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2冗陪+2冗岸hp（其中岸和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（面積為九R2）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)

8、時，銅板散熱速率的表達式應(yīng)修正為：2 姓 mc電?（S網(wǎng)2* dldl2Rp2Rphp 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)定律表達式，并考慮到ds=兀F2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)： 2hpRp八1八hodT mc?2?TT（S1-4） 2hP2RPR2T1T2dl12k） 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為銅塊的比熱容、FP和hP分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。 【實驗步驟】 1、用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和質(zhì)量等必要的物理量，多次 測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385kJ/（Kkg） 2、加熱溫度

9、的設(shè)定100攝氏度： .按一下溫控器面板上設(shè)定鍵（S）,此時設(shè)定值（SV）后一位數(shù)碼管開始閃爍。 .根據(jù)實驗所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵（S）左右移動到所需設(shè)定的位置,然后通過加數(shù)鍵（八減數(shù)鍵（）來設(shè)定好所需的加熱溫度。 .設(shè)定好加熱溫度后，等待8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。 3、圓筒發(fā)熱盤側(cè)面和散熱盤P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，安放時此二小孔都應(yīng)與冰點補償器在同一側(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，熱電偶冷端接到冰點補償器信號輸入端。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)法的原理，必須得到穩(wěn)定的溫度分布，這就需要較長的時間等待。 手動控溫測量導(dǎo)熱系數(shù)時，控制方式開關(guān)打到“手動

10、”。將手動選擇開關(guān)打 到“高”檔，根據(jù)目標(biāo)溫度的高低，加熱一定時間后再打至“低”檔。根據(jù)溫度的變化情況要手動去控制“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔5分鐘讀一 下溫度示值（具體時間因被測物和溫度而異），如在一段時間內(nèi)樣品上、下表面溫度Ti、T2示值都不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)。 自動PID控溫測量時，控制方式開關(guān)打到“自動”，手動選擇開關(guān)打到中間一檔，PID控溫表將會使發(fā)熱盤的溫度自動達到設(shè)定值。每隔5分鐘讀一下溫度示值，如在一段時間內(nèi)樣品上、下表面溫度Ti、T2示值都不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)。 4、記錄穩(wěn)態(tài)時Ti、T2值后，移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當(dāng)下銅盤溫度比T2高出10c左右時

11、，移去圓筒，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-1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）。 5、根據(jù)（S1-4）計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)入。 6、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100c時，其溫差電動勢約4.0mV,故應(yīng)配用量程020mV并能t到0.01mV的數(shù)字電壓表（數(shù)字電壓表前端采用自穩(wěn)零放大器，故無須調(diào)零）。由于熱電偶冷端溫度為0C,對一定材料的熱電偶而言，當(dāng)溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV與待測溫度（0C）的比值是一個常數(shù)。由此，在用（S1-4）計算時，可以直接以電動勢

12、值代表溫度值。 【注意事項】 1、穩(wěn)態(tài)法測量時，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右。手動測量時，為縮短時間，可先將熱板電源電壓打在高檔，一定時間后，毫伏表讀數(shù)接近目標(biāo)溫度對應(yīng)的熱電偶讀數(shù)，即可將開關(guān)撥至低檔，通過調(diào)節(jié)手動開關(guān)的高檔、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在0.03mV范圍內(nèi)。同時每隔30秒 記下上、 下圓盤A和P對應(yīng)的毫伏讀數(shù)， 待下圓盤的毫伏讀數(shù)在3分鐘內(nèi)不變即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時的W和W值。 2、測金屬的導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值時，熱電偶應(yīng)該插到金屬樣品上的兩側(cè)小孔 測T3值時要在Ti、T2達到穩(wěn)定時，將上面測T1或T2的熱電偶移下來插到金屬下端的小孔中進行測量。高度h按金

13、屬樣品上的小孔的中心距離計算。 3、 樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸， 可用游標(biāo)尺多次測量取平均值。 散熱盤的質(zhì)量m約0.8kg,中；測量散熱速率時，熱電偶應(yīng)該重新插到時金屬樣品上下兩側(cè)的溫度，此時散熱盤 散熱盤的小孔中。T1、T2值為穩(wěn)態(tài) P的溫度為T3,因此測量P盤的冷卻 速率應(yīng)為: TT3 Tmc1 TT3 T1T2R2 可用藥物天平稱量。 4、 本實驗選用銅一康銅熱電偶， 溫差100c時， 溫差電動勢約4.27mV,故配用了量程020mV勺數(shù)字電壓表，并能測到0.01mV的電壓。 備注：當(dāng)出現(xiàn)異常報警時，溫控器測量值顯示：HHHH設(shè)置值顯示：Err,當(dāng)故障檢查并解決后可按設(shè)定鍵（S）復(fù)

14、位和加數(shù)鍵（八減數(shù)鍵（）鍵重設(shè)溫度。 【注意事項】 1、使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以保證接觸良好。注意，樣品不能連續(xù)做試驗，特別是硅橡膠，必須降至室溫半小時以上才能下一次試驗。 2、在實驗過程中，如若移開電熱板，就先關(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、數(shù)字電壓表數(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、儀器使用時，應(yīng)避免周圍有強烈磁場源的地方。 5、實驗結(jié)束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的精度。 6、儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗乐钩睗窨諝忾L期與儀器接觸。 房間內(nèi)空氣濕度應(yīng)小于

15、80% 【數(shù)據(jù)記錄與處理 室溫濕度 測量項 1 2 3 4 5 6 樣品直徑DB 樣品厚度hB 下銅板質(zhì)量m 下銅板直徑DP 下銅板厚度hP 加熱置于高檔。2040分鐘后（時間長短隨被測材料和環(huán)境有所不同），改為低檔（PID控溫時可以保持高檔不變），每隔2分鐘讀取溫度示值： 時間(min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 VTI(mV) VT2(mV) 測量下銅盤在穩(wěn)態(tài)值VT2附近的散熱速率時，每隔30s記錄的溫度示值: t(s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 VT2(mV) 導(dǎo)熱系數(shù)的計算: mchB2hPRPV 2?TT2 RB2(VTIVT2)

16、2RP2hpt 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為銅塊的比熱容、R和hp分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。 導(dǎo)熱系數(shù)的不確定度 _1B2RBV1V2hpRp(V)(t) hBRBV1V2hpRpVt 結(jié)果表示：一單位：W?m?c-1 附錄i一一康銅熱電偶分度表 熱電勢(mV 溫 度c 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -10 -0.383 -0.421 -0.458 -0.496 -0.534 -0.571 -0.608 -0.646 -0.683 -0.720 -0 0.000 -0.039 -0.077 -0.116 -0.154

17、-0.193 -0.231 -0.269 -0.307 -0.345 0 0.000 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195 0.234 0.273 0.312 0.351 10 0.391 0.430 0.470 0.510 0.549 0.589 0.629 0.669 0.709 0.749 20 0.789 0.830 0.870 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.155 30 1.196 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 40 1.611 1.653

18、 1.695 1.738 1.780 1.882 1.865 1.907 1.950 1.992 50 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.250 2.294 2.337 2.380 2.424 60 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 70 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 30131 3.176 3.221 3.266 2.312 80 3.357 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.630 3.676 3.721 3.767 90 3.813 3.859 3.906 3.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231 100 4.277 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701 110 4.749 4.796 4.844 4.891 4.939 4.987 5.0