導(dǎo)熱系數(shù)的測量實驗報告

1、導(dǎo)熱系數(shù)的測量導(dǎo)熱系數(shù)（又稱導(dǎo)熱率）是反映材料熱性能的重要物理量，導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料稱為良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料稱為不良導(dǎo)體。一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大，固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因為材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實驗和工程設(shè)計中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。一實驗?zāi)康?用穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。2利用穩(wěn)態(tài)法測定鋁合金棒的導(dǎo)熱系數(shù)，分析用穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)存在的缺點。二實驗原理熱傳導(dǎo)是熱量傳遞過程中的一種方式，導(dǎo)熱系數(shù)是描述物體導(dǎo)熱性能

2、的物理量。AQS（T-T）XS12Ath單位時間內(nèi)通過某一截面積的熱量dQ/dt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。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)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。單位時間通過截面的熱流量為：AQ（T-T）九兀R212AtBhB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，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

3、們知道，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）dQ/dt=-mcdT/dt式中的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。由于質(zhì)量容易直接測量，C為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)銅板冷卻速率的測量。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Tt曲線（見圖2）,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，這樣得出的學(xué)是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速

4、率，其散熱面積為2AtnRp2+2nRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），然而，設(shè)樣品截面半徑為R,在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面（面積為nRp2）是被樣品全部（R=Rp）或部分（RRp）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：AQ小AT（兀R2+2兀Rh）=mCppAT（2兀R2+2兀Rh）ppp將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達式，考慮到ds=nR2，可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：AT(R+2h)h1九=mCppb(2R+2h)(T-T)兀R2pp12B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為銅的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的

5、半徑和厚度。各項均為常量或直接易測量。三主要實驗儀器TC3B型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，測試樣品(硬鋁、硅橡膠、膠木板、空氣等)、游標(biāo)卡尺等。四實驗內(nèi)容不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量(1) 用游標(biāo)卡尺測量樣品、下銅盤的幾何尺寸，5次測量取平均值。(2) 設(shè)定一個加熱溫度。(3) 先放置好待測樣品及下銅盤(散熱盤)，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。(4) 將集成溫度傳感器插入散熱盤P側(cè)面的小孔中，并將集成溫度傳感器接線連接到儀器面板的傳感器插座。為了保證溫度測量的準(zhǔn)確性，采用同一個溫度傳感器測溫，在需要測量發(fā)熱盤A和散熱盤P時手動調(diào)節(jié)測溫對象。(5) 記錄穩(wěn)態(tài)時T1、T2值后，移去

6、樣品，繼續(xù)對下銅盤加熱，當(dāng)下銅盤溫度比T2(對金屬樣品應(yīng)為T3)高出5C左右時，移去圓筒，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅盤自然冷卻，每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄。根據(jù)測量值求出丁。金屬導(dǎo)熱系數(shù)的測量(1)將金屬鋁棒至于發(fā)熱盤和散熱盤之間。(2) 當(dāng)發(fā)熱盤與散熱盤達到穩(wěn)定溫度時，記錄上下兩面溫度。此時散熱盤溫度為T3,重復(fù)之前步驟測量該溫度下的散熱速率。(3) 此時熱導(dǎo)系數(shù)為：丄rATh1九二mCpAT(T-T)KR212p空氣的導(dǎo)熱系數(shù)的測量調(diào)節(jié)三個螺栓，使發(fā)熱盤也散熱盤平行，它們之間的距離為h，用塞尺測量它們之間的距離。此距離即為空氣層的厚度。(注意：由于存在空氣對流，所以

7、此距離不宜過大。)五實驗數(shù)據(jù)及處理（1）不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量散熱盤PM=658g12345平均值D/cm9.8409.8329.8409.8349.8349.836h/cm0.9820.9800.9820.9840.9820.982樣品12345平均值D/cm9.9649.9729.9689.9749.9869.973h/cm0.7900.7860.7900.7960.7960.79112345T2/C56.656.856.856.856.8T1/C71.271.271.271.271.2T2=56.8CT1=71.2Ct/s306090120150180210240T3/C61.861.2

8、60.660.059.458.858.257.7銅板比熱容C二0.09197Calg-ioC-1由以上數(shù)據(jù)可得散熱盤半徑R1=4.918cm待測樣品半徑為R2=4.987cm穩(wěn)態(tài)時：T=71.20CT=56.8。C12再由表中數(shù)據(jù)算得散熱速率：AT-AT-(61-8+612+60.6+6.0-59-4-5&8-582-汕-J90.0198OC/s960AtAt30x4x4由公式得：“mCAT(R+2h)hPPBAt(2R+2h)(T-T)兀R2PP12B4.918+2x0.928)x0.791_658xO.O9197x00198xx49J8匚2x0.928)x(71.256.8)兀.4.987

9、2=4.8807x10-4Cal-cm-1(oC)-1=0.2043W/m-K12345平均值D/cm2.8182.8082.8222.8162.8262.818L/cm6.9166.9166.9186.9126.9086.9142）金屬導(dǎo)熱系數(shù)的測量t/s306090120150180210240270T/C58.357.757.156.555.855.254.654.053.4T1=61.4CT2=56.5CT3=55.8C蘭=0.0204OC/sAt由公式得：)rath1人二mCp一At(T-T)兀R212P6.9141二658x0.09197x0.0204x_：_x61.4-56.5兀

10、x1.4092二0.2793Cal-cm-1-s-1(oC)-1二116.9W/mK（3）空氣的導(dǎo)熱系數(shù)的測量h=1.98mmT1=71.1CT2=45.1Ct/s306090120150180210240270T/C46.846.446.045.645.244.944.544.243.8At由公式得：、廠ATh1九二mCpAt(T-T)兀R212P0.1981=658x0.09197x0.0125xJ_x71.1-45.1兀4.9182=0.0758x10-3Calcm-ist(oc)=0.0317W/mK0.0317-0.31相對誤差耳=沁2.26%0.31六實驗結(jié)論及誤差分析1.由以上實驗測得：待測不良導(dǎo)體在T=56.8oC時的散熱系數(shù)為九=0.2043