稳态法测量物体的导热系数——讲义.docx

实验4稳态法测量物体的导热系数
导热系数是表征物体传热性能的物理量，它与材料本身的性质、结构、湿度及压力等因素有关。测量导热系数的方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，则待测样品内部形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的。本实验采用稳态法。
【实验目的】
（1）了解热传导现象的物理过程；
（2）用稳态法测定热的不良导体──橡胶的导热系数；
（3）学习用温度传感器测量温度的方法。
【预习要点】
（1）复习游标卡尺的使用；
（2）热传导的特点是什么？用什么公式描述这一现象？
（3）用稳态法测定不良导体导热系数时，稳态指的是什么？怎样判断是否到达稳态？
（4）本实验怎样通过转换法计算传热速率？计算散热速率时，怎样采集和选用实验数据？

图4.1热传导
【实验原理】
当物体内部温度不均匀时，热量会自动地从高温处传递到低温度处，这种现象称为热传导，它是热交换基本形式之一。设在物体内部垂直于热传导的方向上取相距为、温度分别为、的二个平行平面(图4.1)。由于很小，可认为二平面的面积均为，则在时间内，沿平面S的垂直方向所传递的热量满足下列傅里叶导热方程式
(4.1)
上式为热传导的基本公式，由法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶(JosephFourier)导出。式中比例系数称为导热系数，又称热导率，它是表征材料热传导性能的一个重要参数。与物体本身材料的性质及温度有关，材料的结构变化与杂质多寡对都有明显的影响，同时，环境温度对也有影响。在各向异性材料中，即使同一种材料，其各个方向上的值也不相等。
由式(4.1)知，导热系数在数值上等于两个相距单位长度的平行平面，当温度相差一个单位时，在垂直于热传导方向上单位时间内流过单位面积的热量。在国际单位制中，的单位是，过去也常用非国际单位制，它们之间的换算是

实验装置如图4.2所示。固定于底架的三个支架上支撑着一个散热铜盘，散热盘以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。在散热盘上安放待测样品，样品上放置加热盘，加热盘是由单片机控制的自适应电加热。
加热时，加热盘的底面直接将热量通过样品上表面传入样品，同时，样品把吸收到的热量通过样品下表面不断地向铜盘散出，当传入样品的热量等于样品传出的热量时，样品处于稳定的热传导状态，此时样品上、下的温度为一稳定值，上面为，下面为。根据傅里叶导热方程式，稳态时样品的传热速率为
(4.2)

图4.2FD-TC-B导热系数测定仪装置图
A.加热板；B.待测样品；C.散热铜盘

当样品达到稳态时，通过样品的传热速率与铜盘向周围环境的散热速率相等，即在相同的时间内，向样品所传递的热量等于铜盘向周围环境所散失的热量。铜盘在温度降低时散失的热量为，其中和分别为铜盘C的质量和比热。因此，在稳定温度附近铜盘的散热速率为。实验时只要设法获得铜盘的冷却速率，即可求得样品的传热速率。
当读得稳态时的温度值、后，把样品拿走，让铜盘与加热板的底面直接接触，使铜盘的温度上升到高于若干度后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，每隔一定的时间间隔采集一个温度值，由此求出铜盘在温度附近的冷却速率。
由于物体的冷却速率与它的散热面积成正比，考虑到铜盘散热时，其表面是全部暴露在空气中，即散热面积是上、下表面与侧面，而实验中达到稳态散热时，铜盘的上表面却是被样品覆盖着的，故需对加以修正。修正后，铜盘的散热速率为

因，即，代入式(5.2)得
(4.3)
式中，、分别为散热铜盘的直径和厚度；而、是样品橡胶圆盘的直径与厚度。
【实验仪器】
FD-TC-B型导热系数测定仪装置如图4.2所示,它由电加热器、铜加热盘、橡胶样品圆盘、铜散热盘、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成，游标卡尺，电子天平。
【实验内容】
(1)取下固定螺丝，将橡胶样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；
(2)按照图4.2所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，加热盘“控温”，散热盘_“测温”）。
(3)开启电源后，设定加热器控制温度：按升温键左边表显示由B00.0可上升到B80.0摄氏度。一般设定75较为适宜。再按确定键，显示变为AXX.X之值，即表示加热盘此刻的温度值。右边表头显示散热盘的测量温度。打开电扇开关，仪器开始加热。
(4)加热盘的温度上升到设定温