導熱系數課件第1頁，課件共24頁，創作于2023年2月2．樣品的導熱系數大小與導熱性能有什么關系？一、開篇設問（一）預備問題1．樣品的導熱系數大小與溫度有什么關系？（二）學生容易出錯的問題1．測定散熱盤冷卻速率時為什么要在穩態溫度θ20附近選值？第2頁，課件共24頁，創作于2023年2月（三）課后要思考的問題或擴展問題。1．分析本實驗中的主要誤差來源？2．個別儀器的溫度計存在的測量誤差（并且假定我們無法對溫度計進行調整），這一誤差會影響導熱系數的測量精度，對此你有什么好的解決辦法嗎？請提出你的方案。第3頁，課件共24頁，創作于2023年2月二、背景介紹（一）導熱系數及其穩態法測量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。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；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。熱量傳遞的三種途徑：熱傳導、熱對流、以及熱輻射。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。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體的要大；氣體的導熱系數最小。第4頁，課件共24頁，創作于2023年2月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。其測量方法大致上有穩態法和非穩態法兩類。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熱系數的方法。第5頁，課件共24頁，創作于2023年2月（二）實驗目的1．掌握穩態法測定不良導體導熱系數的方法。2.了解物體散熱速率和傳熱速率的關系。第6頁，課件共24頁，創作于2023年2月（三）科學家簡介傅里葉（JeanBaptisteJosephFourier，1768～1830）,法國數學家、物理學家。1768年3月21日生于法國中部歐塞爾一個裁縫家庭，1830年5月16日卒于巴黎。9歲父母雙亡，被當地教堂收養。12歲由一主教送入地方軍事學校讀書。17歲回鄉教數學，1794到巴黎，成為高等師范學校的首批學員，次年到巴黎綜合工科學校執教。1798年隨拿破侖遠征埃及時任軍中文書和埃及研究院秘書，1801年回國后任伊澤爾省地方長官。由于對熱傳導理論的貢獻于1817年當選為科學院院士，1822年任該院終身秘書，后又任法蘭西學院終身秘書和理工科大學校務委員會主席。主要貢獻是在研究熱的傳播時創立了一套數學理論。第7頁，課件共24頁，創作于2023年2月圖一導熱系數實驗裝置示意圖當如圖一所示的系統達成熱平衡時，通過待測樣品的傳熱率和散熱黃銅盤向側面和下面的散熱率相同，即有三、實驗原理第8頁，課件共24頁，創作于2023年2月（1（1）式（1）中θ10、θ20是傳熱穩定時的樣品上下表面溫度，是樣品的傳熱速率，是黃銅盤散熱率。根據傅立葉的熱傳導定律，（1）式左邊可以寫為：（2）第9頁，課件共24頁，創作于2023年2月而根據物體的散熱率與冷卻率之間的關系，（1）式右邊可以寫為：（3）式(3)中m是散熱黃銅的質量，c是黃銅比熱。

這樣，只要測出散熱黃銅的冷卻率，就可以聯立（1）、（2）及（3）式而得出導熱系數λ，但是，當散熱黃銅處在穩定系統之中時，其冷卻率不方便測第10頁，課件共24頁，創作于2023年2月量，必須將它獨立放在空氣中才可以測量，這時相應的冷卻率我們不妨記為，根據散熱率也即冷卻率與表面積成正比的規律，可以有如下的關系式成立：于是我們可以進一步得出導熱系數λ的表示式為：第11頁，課件共24頁，創作于2023年2月（4）本實驗在散熱環節散熱盤上面未覆蓋樣品，有些教科書要求覆蓋樣品，所得公式與此不同。第12頁，課件共24頁，創作于2023年2月四、實驗儀器1．THQDC-1型導熱系數測定儀。2．游標卡尺。3．天平4．鑷子THQDC-1型導熱系數測定儀（一）實驗儀器第13頁，課件共24頁，創作于2023年2月（二）注意事項。1．加熱盤溫度設定值不得高于110℃，實驗時應隨時觀察加熱盤溫度變化。2．實驗裝置溫度較高，實驗過程中不要觸摸高溫盤，以防燙傷。3．PID智能溫度調節器出廠前各參數均設置好，實驗時可以修改加熱盤溫度設定值SV，修改其它參數時應謹慎，否則影響控溫效果。4．實驗過程中Pt100金屬部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否則影響測溫精度。第14頁，課件共24頁，創作于2023年2月6．測定儀面板上有0～220V加熱電源，連接和分開加熱電源線時均應先關閉電源總開關，以防觸電。5．實驗應在室內溫度基本穩定及無風的條件下進行，否則將影響控溫效果。小心有電！第15頁，課件共24頁，創作于2023年2月1、測量樣品及散熱銅盤的尺寸；五、實驗內容2、設置溫度參數，安裝儀器，置放溫度傳感器；可以通過右邊的三個按鍵設置加熱盤溫度加熱盤溫度設定的溫度（一）基本實驗內容和實驗操作程序第16頁，課件共24頁，創作于2023年2月注意測溫元件PT100的插法第17頁，課件共24頁，創作于2023年2月3、打開加熱開關加熱，等待穩定狀態到來；此過程需要耐心，等真正穩定了才進行測量，對于所測溫度存在小幅波動的情況，可在一段時間測量多組數據進行平均。4、記錄達到穩定時，樣品上下表面的溫度；第18頁，課件共24頁，創作于2023年2月5、去掉樣品后，讓散熱銅盤在穩定溫度θ20的基礎上升溫若干度，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30秒記錄一次）。6、整理儀器。第19頁，課件共24頁，創作于2023年2月（二）對實驗數據處理的要求1．在散熱盤溫度隨時間變化的數據中選擇θ20附近10組數據，用逐差法處理實驗數據，計算散熱盤冷卻速率，進而利用（4）式計算待測樣品導熱系數λ。2．計算不確定度，并給出完整的結果表述。（三）擴展內容根據對誤差來源的分析，提出對本實驗改進的方案。第20頁，課件共24頁，創作于2023年2月2、劉淑琴，《用穩態法導熱儀測定聚氨酯硬泡導熱系數》，化學推進劑與高分子材料，1990年第4期，41～43頁。六、設計案例1、彭擔任，《穩態雙平板法測定煤和巖石的導熱系數》，江蘇煤炭，1993年第3期，22～26頁。第21頁，課件共24頁，創作于2023年2月七、最新進展（一）微細尺度傳熱學隨著科技的發展，人們對熱傳導的研究擴展到微細尺度（例如在對超大規模集成電路的熱設計和熱控制、航天器內生命保障系統的傳熱過程、生命過程中的熱現象等的研究中），其研究對象的特征尺度與載熱體（分子、電子、聲子、光子）等的平均自由程處于同一量級甚至更低，導熱的Fourier定律、流動的N-S方程已不在適用，微結構表面的輻射性質也出現奇特的變化，已經不能有效地用傳統的傳熱傳質理論及傳統的實驗方法加以解決，導致了熱現象由宏觀研究到微觀研究的歷史性轉變，促使微尺度傳熱學這一學科的出現和形成。微尺度傳熱學致力于尺度微形化極限情況的傳熱學規律研究：一個是空間尺度極限，其研究的幾何尺度可以到微米或微毫米級；再一個是時間尺度極限，即在微妙以至微毫秒內瞬時傳熱規律的研究。第22頁，課件共24頁，創作于2023年2月（二）現代電子器件冷卻方法隨著微電子技術的迅速發展，電子器件的微型化已經成為現代電子設備發展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減小(例如，微處理器的特征尺寸在1990年到2000年內從0.35μｍ減小到0.18μｍ)，芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。芯片熱流密度的不斷升高則對電子器件熱可靠性設計提出了更高的要求。能夠解決電子器件過熱問題的熱設計早已引起國內外研究單位的高度重視，并且得到了很大的發展。經過近年來的研究，已研究出一些比較成熟的冷卻方式，如自然冷卻技術、強迫空氣冷卻技術、液體冷卻技術、相變冷卻技術、其他冷卻技術(如熱管，冷板等)。（更多內容請參看/cr