材料物理性能 实验三不良导体导热系数测定.docx

不良导体导热系数测定导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一，导热系数大，导热性能较好的材料称为 良导体；导热系数小、导热性能差的材料称为材料的不良导体一般来说，金属的导热系数 比非金属要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小本实验介绍一种比较 简答的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法稳态法是通过热源在样品内部形成一稳定 的温度分布后，测定不良导体导热系数的方法一、实验目的1、掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法2、了解物体散热速率和传热速率的关系二、实验仪器1、TJQDC-1 型导热系数测定仪2、游标卡尺 3、天平 4、镊子三、实验原理1、热传导定律当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现 象叫热传导现象早在1882年著名物理学家傅立叶(Fourier)就提出了热传导的定律：若在垂直于热传播(dQ \方向X上作一截面AS，以U- I表示X处的温度梯度，那么在时间At内通过截面积ASI dx 丿 0所传递的热量AQ为:1)AQ 川 dQLsAt v dx 丿式(1 )中 为传热速率，负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处，与温度梯度At方向相反。

比例系数九称为导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦•米1开-1(W • m-1K-1).2、稳态法测传热速率测定样品导热系数的实验装置如图1所示图中待测样品(圆盘)半径 叫=60皿m,样 品上表面与加热盘(位于上方的黄铜盘)的下表面接触，温度为Q],加热盘由内部电热丝供热, 热量由加热盘通过样品上表面传入样品，再从样品下表面与散热盘 (位于样品下面的黄铜盘) 的上表面相接，温度为Q ，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发样品上下表面温度可2以认为是均匀分布，在h1不很大情况下可忽略样品侧面散热的影响，则式(1)改写为：AQ —汽弋SAt h1式(2)中 S 为样品横截面积加热盘温度0 1热流式(3)中010Aq ~At o =o1 100是传热稳定时的样品上下表面温度，学是样品的传热速率，学20 At AtAQaT3)AtAtllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll散热盘样品盘图1导热系数实验装直示意图当0 、0 稳定时，传热也达到稳定，即通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下 12面的散热率相同。

是黄铜盘散热率那么式(2)可以表示为2 0 一0 S=A 10 20 Sh4)Aq~AtAq由(4)式可见关键是测出黄铜盘的散热率At 02 =020为此，当测出稳态时样品上下表面的温度 010，020之后，拿走样品，让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触，加热下黄铜盘使温度上升到高于020若干度后再拿去上黄铜盘，让下黄铜盘自然冷却，直接向周围散热AQ下黄铜盘在02 = 020附近的冷却速率为：AT黄铜盘的散热率与其冷却速率的关系为：AqAAo=me—At5)02 =02002 %式（5）中m是黄铜质量，c是黄铜比热（c = 3.77 x 10 2 J / Kg • K）A9在样品传热过程中，只考虑下铜盘的下表面和侧面散热，但在测冷却速率丁时，黄铜At盘上表面也暴露在外，实际是黄铜盘的上，下表面和侧面都在散热由于物体冷却速率与它的表面积成正比关系，修正（5）式，可得：AqAO2 为 20二 mc‘AO20丫 兀R 2 + 2 兀R h '2 2 2I 2 兀R 2 + 2 兀R h .2 2 2‘Ao=mclAt2 =O 20R + 2h )2 2+ 2h )22R26)式⑹中竹、S分别为散热黄铜盘半径和厚度。

将式（6）代入（4）并整理得待测样品导热系数为：九=mc(AO)&丿(R + 2h.2R + 2h22kO -O10 207)四、实验程序1、 用游标卡尺测量待测样品盘的半R径和厚度h，散热黄铜盘的半径R和厚度h参考1 1 2 2值为 R = R = 60mm = 0.06m， h = 5mm = 0.005m， h = 12mm = 0.012m1 2 1 22、 用天平测量散热黄铜盘的质量m ,参考值m = 1.136Kg3、 安装实验装置注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行按图 1 所示将散热黄铜盘小心安装在测 定仪固定支架上，将测温孔朝向正面然后将待测样品盘，加热黄铜盘依次放在上面，将加 热电源插孔朝向反面，且三盘上下对齐，此时不要安装加热盘提手，最后将加热盘 Pt100 和 散热盘Pt100分别插入加热黄铜盘和散热黄铜盘测温孔，注意Pt100金属部分不要裸露在外， 且插入深度要一致，否则影响测温精度将加热电源线通过加热电源插孔与加热黄铜盘连接 好，然后将加热电源线与面板上插座连接好，注意此连接过程顺序不能颠倒4、 加热盘温度控制参数设置将加热盘温度设定为60°C〜110°C。

5、 加热盘加热及温度测控将“加热开关”置于“开”“风扇开关”置于“关”，此时“加热指示”灯亮在整个 加热及温度控制过程中加热指示灯亮度会随着加热快慢而变化注意实验应在室内温度基本 稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果当加热盘温度控制在设定温度±1°C范围内 时，若加热盘温度0和散热盘温度°在lOmin后仍保持稳定，可认为传热达到稳定记录12此时加热盘温度° 和散热盘温度°lO 2O6、测定散热盘散热率将加热盘小心提起，用镊子将待测样品移去，然后将加热盘直接放在散热盘上，给散热 盘加热，使散热盘温度高于° 1O°C左右，将“加热开关”置于“关”，小心移去加热盘，2O 使散热盘在空气中自然冷却冷却过程中每隔 3Os 读一次散热盘温度 ° ，一直读到低于2° 1OC左右将实验所得数据记录在表1中2O表 1 散热盘散热率实验数据t (s)0306090120• ♦ •540570600° (C)27、 改变加热盘温度设定值，重复实验步骤5、6,测定样品在不同温度下导热系数九8、 改变待测样品，重复以上实验步骤，测定不同样品的导热系数九9、 实验完毕，将“风扇开关”置于“开”“加热开关”置于“关”，此时风扇开启，“风 冷指示”灯亮，使散热盘加速冷却，直到散热盘温度降至室温，将“风扇开关”置于“关。

10、 整理实验仪器注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行将加热电源线与面板上插座分开，然后 将加热电源线与加热黄铜盘分开，注意此分开过程顺序不能颠倒取下加热盘 Pt100 和散 热盘Pt100并放回整理待测样品盘，加热黄铜盘和散热黄铜盘五、 实验报告1、 根据表1所记录实验数据，选择° 附近10组数据，用逐差法处理实验数据，计算20A°散热盘冷却速率丁，AtA°2、 将散热盘冷却速率r ,代入（7）式计算待测样品导热系数九3、 测定样品在不同温度下的导热系数九，比较不同温度下同一样品导热系数大小，分 析导热系数与温度的关系4、 测定不同样品的导热系数九，比较不同样品导热系数的大小，分析不同样品的导热 性能六、 注意事项1、 加热盘温度设定值不得高于110C，实验时应随时观察加热盘温度的变化2、 实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，以防烫伤3、PID智能温度调节器出厂前各参数均设置好,实验时可以修改加热盘温度设定值SV修改其他参数时应谨慎，否则影响控温效果4、 实验过程中PtlOO金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测量精度5、 实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行,否则将影响控温效果。

6、 测定仪面板上有0-220V加热电源，连接导线时应关闭电源，以防触电七、思考题1、 测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度20附近选值？2、 样品的导热系数大小与导热性能有什么关系?。