1、一、背景一、背景 熱量的傳遞一般分為三種：熱傳導、熱對流、以及熱熱量的傳遞一般分為三種：熱傳導、熱對流、以及熱輻射。其中的熱傳導是指發生在固體內部或靜止流體內部輻射。其中的熱傳導是指發生在固體內部或靜止流體內部的熱量交換的過程。的熱量交換的過程。從微觀上說，熱傳導或者說導熱過程從微觀上說，熱傳導或者說導熱過程是以自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程；是以自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程；從宏觀上說，它是由于物體內部存在溫度梯度，而發生從從宏觀上說，它是由于物體內部存在溫度梯度，而發生從高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。不同物體的導熱性不

2、同物體的導熱性能各不相同，導熱性能較好的物體稱為良熱導體，導熱性能各不相同，導熱性能較好的物體稱為良熱導體，導熱性能較差的物體稱為不良熱導體。能較差的物體稱為不良熱導體。定量描述物體導熱性能的物理量是導熱系數，一般說來，定量描述物體導熱性能的物理量是導熱系數，一般說來，金屬的導熱系數比非金屬的要大；固體的導熱系數比液金屬的導熱系數比非金屬的要大；固體的導熱系數比液體的要大；氣體的導熱系數最小。體的要大；氣體的導熱系數最小。 導熱系數是描述材料性能的一個重要參數，在鍋爐導熱系數是描述材料性能的一個重要參數，在鍋爐制造、房屋設計、冰箱生產等工程實踐中都要涉及這個制造、房屋設計、冰箱生產等工程實踐中

3、都要涉及這個參數，而且通過研究物質的導熱系數，還可以進一步了參數，而且通過研究物質的導熱系數，還可以進一步了解物質組成及其內部結構等。所以，導熱系數的研究和解物質組成及其內部結構等。所以，導熱系數的研究和測定有著重要的實際意義。在科學實驗和工程設計中，測定有著重要的實際意義。在科學實驗和工程設計中， 所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法精確測定。其所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法精確測定。其測量方法大致上有測量方法大致上有穩態法和非穩態法穩態法和非穩態法兩類。兩類。 穩態法是在加熱和散熱達到平衡狀態、樣品內部形穩態法是在加熱和散熱達到平衡狀態、樣品內部形成穩定溫度分布的條件下進行測量。非穩

4、態法則是指在成穩定溫度分布的條件下進行測量。非穩態法則是指在測量過程中樣品內部的溫度分布是變化的，變化規律不測量過程中樣品內部的溫度分布是變化的，變化規律不僅受實驗條件的影響，還與待測樣品的導熱系數有關。僅受實驗條件的影響，還與待測樣品的導熱系數有關。本實驗介紹一種比較簡單的利用穩態法測定不良導體導本實驗介紹一種比較簡單的利用穩態法測定不良導體導熱系數的方法。熱系數的方法。 二、實驗目的二、實驗目的 1了解熱傳導現象的物理過程。了解熱傳導現象的物理過程。2了解物體散熱速率和傳熱速率的關系。了解物體散熱速率和傳熱速率的關系。3學會用鉑電阻型傳感器測定溫度。學會用鉑電阻型傳感器測定溫度。4學習一種

5、測量材料導熱系數的實驗方法。學習一種測量材料導熱系數的實驗方法。三、實驗原理三、實驗原理圖一圖一 導熱系數實驗裝置示意圖導熱系數實驗裝置示意圖當如圖一所示的系統達到熱平衡時，通過待測樣品的傳熱當如圖一所示的系統達到熱平衡時，通過待測樣品的傳熱速率和散熱銅盤向側面和下面的散熱速率相同，即有速率和散熱銅盤向側面和下面的散熱速率相同，即有202101tqtQ（1（1）式（式（1）中）中10、20是傳熱穩定時的樣品上下表面溫度，是傳熱穩定時的樣品上下表面溫度， 是是樣品的傳熱速率，樣品的傳熱速率， 是銅盤散熱率是銅盤散熱率。 Qtqt根據傅立葉的熱傳導定律，（根據傅立葉的熱傳導定律，（1）式左邊可以寫

6、為：）式左邊可以寫為：ShtQ121（2）而根據物體的散熱率與冷卻率之間的關系，（而根據物體的散熱率與冷卻率之間的關系，（1）式右邊）式右邊可以寫為：可以寫為：202202tMCtq（3）式式(3)中中M M 是散熱紫銅盤的質量，是散熱紫銅盤的質量，C C 是其比熱。是其比熱。 這樣，只要測出散熱銅盤的冷卻速率這樣，只要測出散熱銅盤的冷卻速率 ，就，就可以聯立（可以聯立（1）、（）、（2）及（）及（3）式而得出導熱系數）式而得出導熱系數，但是，但是，當散熱銅當散熱銅盤盤處在穩定系統中時，其冷卻速率不方便測處在穩定系統中時，其冷卻速率不方便測202 t)/(0 .3850CkgJC量，必須將它獨

7、立放在空氣中才可以測量，這時相應的冷量，必須將它獨立放在空氣中才可以測量，這時相應的冷卻速率我們不妨記為卻速率我們不妨記為 ，根據散熱速率也即冷，根據散熱速率也即冷卻速率與表面積成正比的規律，可以有如下的關系式成立：卻速率與表面積成正比的規律，可以有如下的關系式成立：202 t 22222222222202202hRRhRRtt 于是我們可以進一步得出導熱系數于是我們可以進一步得出導熱系數的表示式為：的表示式為：212010122221222202RhhRhRtMC（4）四、實驗儀器四、實驗儀器1TC-3B型型測試儀和測試架測試儀和測試架2待測樣品待測樣品（環氧圓盤、硅橡膠盤）（環氧圓盤、硅橡

8、膠盤）3游標卡尺游標卡尺4手套手套五、實驗過程五、實驗過程1、測量樣品盤及散熱銅盤的幾何尺寸和其它有關參數；、測量樣品盤及散熱銅盤的幾何尺寸和其它有關參數；2、安裝儀器，置放溫度傳感器，設置溫度參數；、安裝儀器，置放溫度傳感器，設置溫度參數；3、打開加熱開關加熱，每、打開加熱開關加熱，每2分鐘記錄一次散熱銅盤的溫度，分鐘記錄一次散熱銅盤的溫度，等待穩定狀態到來；等待穩定狀態到來；4、達到穩態時，記錄樣品上下表面的溫度（、達到穩態時，記錄樣品上下表面的溫度（10和和20）；）；5、去掉樣品后，讓散熱銅盤在穩定溫度、去掉樣品后，讓散熱銅盤在穩定溫度 20的基礎上升溫若的基礎上升溫若干度，然后讓其在

9、空氣中自然冷卻，記錄其溫度隨時間降低干度，然后讓其在空氣中自然冷卻，記錄其溫度隨時間降低的數據（每的數據（每30秒記錄一次），記到秒記錄一次），記到20 以下至少有五個數據。以下至少有五個數據。六、數據處理六、數據處理1將測量數據填入數據表格。將測量數據填入數據表格。2 利用散熱盤溫度隨時間變化的數據作散熱曲線，并利用散熱盤溫度隨時間變化的數據作散熱曲線，并選擇選擇20附近附近10組數據，組數據， 用逐差法計算散熱盤散熱速率用逐差法計算散熱盤散熱速率 ，進而計算待測樣品導熱系數進而計算待測樣品導熱系數。3計算不確定度計算不確定度U，并給出結果表述。，并給出結果表述。說明：因本實驗主要誤差來源于

10、散熱速率的測量，所以說明：因本實驗主要誤差來源于散熱速率的測量，所以計算不確定度時，只考慮這一項即可。計算不確定度時，只考慮這一項即可。U七、注意事項七、注意事項1實驗操作過程中，要注意防止高溫燙傷；實驗操作過程中，要注意防止高溫燙傷；2測溫傳感器插入小孔時抹些硅油，并插到孔洞底部，測溫傳感器插入小孔時抹些硅油，并插到孔洞底部，使之保證良好接觸；使之保證良好接觸；3實驗前，要標定一下兩測溫傳感器，若不一致，要實驗前，要標定一下兩測溫傳感器，若不一致，要進行修正；進行修正；4用穩態法測量導熱系數時，要使溫度穩定下來，約用穩態法測量導熱系數時，要使溫度穩定下來，約要半個小時左右。待要半個小時左右。

11、待2的數值在數分鐘內不變時，即可認的數值在數分鐘內不變時，即可認為已達到穩定狀態。（由于控溫精度有限，為已達到穩定狀態。（由于控溫精度有限， 1、2 的讀數的讀數可能會出現波動可能會出現波動 ）5 測量穩態溫度和散熱速率過程中，要注意保持一樣測量穩態溫度和散熱速率過程中，要注意保持一樣的環境條件。的環境條件。6.實驗之后，整理好儀器設備，做好清潔衛生。實驗之后，整理好儀器設備，做好清潔衛生。btat00散熱盤冷卻曲線散熱盤冷卻曲線 物體的散熱（或冷卻）物體的散熱（或冷卻）遵守牛頓冷卻定律，冷卻遵守牛頓冷卻定律，冷卻的快慢用冷卻速率來表示，的快慢用冷卻速率來表示，冷卻的快慢與物體及環境冷卻的快慢

12、與物體及環境間的溫差、物體的散熱面間的溫差、物體的散熱面積、冷卻介質、傳熱方式積、冷卻介質、傳熱方式（熱傳導、熱對流以及熱（熱傳導、熱對流以及熱輻射）等因素有關，冷卻輻射）等因素有關，冷卻曲線在溫度范圍不太大時，曲線在溫度范圍不太大時，局部可以用線性關系近似。局部可以用線性關系近似。附錄附錄 物體的冷卻速率物體的冷卻速率附錄附錄 鉑金屬熱電阻測溫原理電路圖鉑金屬熱電阻測溫原理電路圖 Rt為鉑熱電阻為鉑熱電阻Va接穩壓電源接穩壓電源Vo接直流電表接直流電表左側為電橋電路左側為電橋電路右側為差分電路右側為差分電路Rt=Ro(1+t)附錄附錄 逐差法處理數據及不確定度估算逐差法處理數據及不確定度估算22)3()(pApku（tU22ttUUUU)/()(KmWUniiAnnu1211)(njjjjjttnt15512原子能原子能沸水反應堆沸水反應堆發電原理圖發電原理