不良导体导热系数的测定_ 何惠梅 北京化工大学

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1、实验六不良导体导热系数的测定导热系数(又称热导率)是表征物质材料热传导性质的重要物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。1804年法国物理学家毕奥通过平壁导热实验的结果最早的表述了导热定律。稍后，1822年法国的傅立叶运用数理的方法，更准确地把它表述为后来称之为傅立叶定律的微分形式，从而奠定了导热理论。目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上。从测量的方法来说可分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分

2、布是随时间变化的。例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法进行测量。【实验目的】（1）学习用稳态法测定材料的导热系数。（2）学习如何运用实验观测的手段，尽快找到最佳的实验条件和参数，正确测出所需的实验结果的方法。（3）学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。（4）学习热电偶的测温原理和方法。【实验原理】（１）傅立叶热传导方程1882年法国数学、物理学家傅立叶给出了一个热导体的基本公式——傅立叶导热方程式。该方程式指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h、温度分别为、的平行面（设>），若平面面积均为S，在dt时间内通过面积S的热量dQ满足下述表达式：=,（1）式中为热流量，为

3、该物质的热导率（又称导热系数），表明物质导热的能力。在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，在单位时间内通过单位面积的热量；其单位为。（2）本实验装置为导热系数测定仪，如图1所示。本仪器可用于稳态法测量不良导体、金属和气体的导热系数，采用电热板加热、热电偶测温、数字毫伏表测量温差电动势。它由电加热板、铜加热盘A,橡皮样品圆盘B,铜散热盘C、样品支架及调节螺丝、风扇、温度传感器以及控温与测温器组成。图1导热系数测定装置固定于底座上的的三个调节螺丝，支撑着一个散热铜盘C,散热盘C可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B,样品B上放置一个圆盘状加

4、热盘A，加热盘A由电加热板提供热量。加热时，电压开关可根据需要置于“220V”档、“110V”档或关闭状态（“0V”档）。实验时一方面电热板发出的热量直接通过加热盘A由样品上表面传入样品，另一方面散热盘C借电扇有效稳定地散热，使传入样品的热量不断往样品下表面散出。当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时加热盘和散热盘各维持稳定的温度、，它们的数值分别用安插在A、C侧面深孔中的热电偶B1、B2来测量。B1、B2的冷端插入盛有冰水混合物（作为参考温度）的杜瓦瓶中的细玻璃管内。热电偶B1端接入导热系数测定仪面板上的“测1”插孔，热电偶B2端接入导热系数测定仪面板上的“测2”插孔，

5、“电表”的两插孔引出导线接入数字毫伏表。本实验选用铜—康铜热电偶测温度。热电偶产生的温差电动势与冷热两端的温度差成正比，铜—康铜热电偶的特性为冷热两端温差为100C时，产生温差电动势为4.2mV，由于其冷端温度为，故在温度变化不大时，其温差电动势与热端温度的比值为一常数（），即在本实验条件下数字式毫伏表显示的读数正比于热端的温度。在计算时，可直接以电动势值代替温度值代入公式进行计算。G为双刀双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路。由式（6.1）可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为=（2）式中为圆盘样品的半径，为样品厚度。当传热达到稳定状态时，和的值不变，于是通过B盘上表面

6、的热流量与由散热铜盘C向周围环境散热的速率相等。因此，可通过散热铜盘C在稳定温度时的散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的、后，即可将样品B盘移去，而使加热盘A的底面与散热铜盘C直接接触。当散热铜盘C的温度上升到高于稳定时温度若干摄氏度后，再将电热板移去，让散热铜盘C自然冷却。观测其温度随时间t变化情况，然后由此求出散热铜盘C在的冷却速率，根据比热容的定义，对温度均匀的物体，其散热速率与冷却速率的关系为=mc（3）m为黄铜盘C的质量、c为其比热容)就是黄铜盘在温度为时的散热速率。但须注意，这样求出的是黄铜盘的全部表面暴露于空气的散热速率，其散热表面积为+（其中与分别为黄铜盘的半径与

7、厚度）。然而，在观测样品稳态传热时,C盘的上表面（面积为）是被样品覆盖着的。考虑到物体的散热速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应修正如下：=mc。（6.4）将式（6.4）代入式（6.2），得：。（6.5）（3）本实验的完成和实验结果的成败，关键是如何有效地控制实验条件与参数，尽快判定和最终达到样品内部温度分布的稳定状态。稳态法中，在样品B内完全达到稳定的温度分布，一般需要等待较长时间，且与、、加热的快慢、室温等等环