导热系数测量教案

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1、课题导热系数的测量1．用稳态法测定不良导热体橡胶的热导率，并与公认值进行比较；教学目的2．学习用热电偶进行温度测量。重难点1．稳态法的理解；2．导热系数测定仪的正确使用。教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。学时3个学时一、前言材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类是动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分析，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。二、实验仪器实验采用TC-3型导热系数测定仪

2、。该仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘旋和热散圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待测样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。热端分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。冷、热端插入时，涂少量的硅脂，热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内。利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势，温差电动势采用量程为20mV的数字式电压表测量，再根据附录的铜一

3、康铜分度表转换成对应的温度值。仪器设置了数字计时装置，计时范围166mim，分辨率1S，供实验时计时用。仪器还设置了PID自动温度控制装置，控制精度1°C，分辨率为0.1°C，供实验时加热温度控制用.三、实验原理根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为L、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1>T2），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，g即为该物的热导率（又称作导热系数），g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，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是。本实验仪器如图1所示：

4、图1稳态法测定导热系数实验装置图在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待测样品B（圆盘形的不良导体），再把带发热的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，由于A、P盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2、分别由插入A、P盘边缘小孔热电偶E来测量，热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G，切换A、P盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道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RB为样品的半径，h3为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变，于是通

5、过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速率相等，因此，可通过铜盘P在稳定温度T2时的散热速率来求出热流量。实验中，在读得稳定时的T1和T2后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘P直接接触。当盘P的温度上升到高于稳定时的T值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却。观察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出铜盘在T2的冷却速率（m为紫铜盘P的质量，C为铜材的比热容），就是紫铜盘P在温度为T2时的散热速率。但要注意，这样求出是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为（其中RP与hP分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传热时，P

6、盘的上表面（面积为）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却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作如下修正：（3）将式（3）代入式（2），得：（4）四、实验内容与步骤在测量导热系数前应先对散热盘P和等测样品的直径、厚度进行测量。1．用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。2．用游标卡尺测量散热盘P的直径和厚度，测5次，按平均值计算P盘的质量。也可直接用天平称出P盘的质量。一、不良导体导热系数的测量1．实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片）放在散热盘P上面，然后发热盘A放在样品盘B上方，并用固定螺母固定在机架上，再调节三个螺旋头，使样品盘的上下两个表面与发

7、热盘和散热盘紧密接触。2．在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端（黑色）插入杜瓦瓶中。将热电偶的热端（红色）分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将其插入加热盘A和散热盘P的热电偶接线连接到仪器面板的传感器I、II上。3．接通电源，将加热选择开关由“断”打向“高”档，当打向“高”档时，加温速度最快。当传感器I的温度读数VT1为4.2mV，可将开关打向“低”档，降低加热电压。4．待传感器I、II的读数不再上升（约需40分钟）时，说明已达到稳态，每隔5分钟记录VT1和VT2的值。5测量散热盘在稳态值T2附近的散热速率（）。移开铜盘A