1、華中科技大學(xué)文華學(xué)院華中科技大學(xué)文華學(xué)院 穩(wěn)態(tài)法測(cè)量固體導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量固體導(dǎo)熱系數(shù) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì) 的物理量，的物理量，測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)在設(shè)計(jì)和制造加熱測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)在設(shè)計(jì)和制造加熱 器、散熱器、傳熱管道、冰箱、節(jié)能房屋等工程技器、散熱器、傳熱管道、冰箱、節(jié)能房屋等工程技 術(shù)及很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有非常重要的應(yīng)用。術(shù)及很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有非常重要的應(yīng)用。 良導(dǎo)體良導(dǎo)體:導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料 不良導(dǎo)體不良導(dǎo)體:導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料

2、 橡膠為橡膠為0.22 W.m-1.K-1 約為不良導(dǎo)體的約為不良導(dǎo)體的102103倍，例如銅為倍，例如銅為4.0102 W.m-1.K-1 一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大，一般來(lái)說(shuō)，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。小。因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，因?yàn)椴牧系膶?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(huì)明顯影響導(dǎo)熱而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響導(dǎo)熱 系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料對(duì)材料 的導(dǎo)熱系數(shù)常用實(shí)

3、驗(yàn)的方法測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)常用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。 測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法大體上測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法 兩類。兩類。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 目目 的的 】 1. 學(xué)習(xí)一種測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法學(xué)習(xí)一種測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法-穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 法法；體會(huì)繞過(guò)不便測(cè)量的量（；體會(huì)繞過(guò)不便測(cè)量的量（使用參量轉(zhuǎn)換法使用參量轉(zhuǎn)換法） 的設(shè)計(jì)思想。的設(shè)計(jì)思想。 2. 學(xué)會(huì)用學(xué)會(huì)用逐差法逐差法求散熱速率。求散熱速率。 3. 測(cè)定不良導(dǎo)體（測(cè)定不良導(dǎo)體（橡皮板橡皮板）的導(dǎo)熱系數(shù)。）的導(dǎo)熱系數(shù)。 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)

4、驗(yàn) 原原 理理 】 v 1、熱傳導(dǎo)定律、熱傳導(dǎo)定律 在在 t t時(shí)間內(nèi)經(jīng)時(shí)間內(nèi)經(jīng) 傳遞傳遞 的熱量為的熱量為 Q： S T1 T2 h 圖圖 2.5-1 均勻圓柱體均勻圓柱體 加熱加熱 后后 12 TT 12 TTQ S th 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 傳熱速率傳熱速率 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 v 2、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 表示相距單位長(zhǎng)度的兩平面的溫度表示相距單位長(zhǎng)度的兩平面的溫度 相差為一個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所相差為一個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所 傳遞的熱量，單位是瓦傳遞的熱量，單位是瓦米米-1 -1 開 開-1 -1（ （W m -1K -1），），

5、 導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料的導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料的導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一。 稱為導(dǎo)熱系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù) 12 TTQ S th v 3、穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)、穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 當(dāng)傳入樣品的熱量等于當(dāng)傳入樣品的熱量等于 散出的熱量時(shí)，樣品處散出的熱量時(shí)，樣品處 于于穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。 l 樣品內(nèi)部的溫度不再樣品內(nèi)部的溫度不再 隨著時(shí)間變化隨著時(shí)間變化 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 樣品（橡膠盤）的傳熱速率為：樣品（橡膠盤）的傳熱速率為： T1為為樣品上表面的溫度，樣品上表面的溫度， T2為樣品下表面為樣品下表面的溫的溫 度，度

6、，hB為樣品的厚度，為樣品的厚度，S為樣品的截面面積。為樣品的截面面積。 樣品（橡膠盤）樣品（橡膠盤） 發(fā)熱盤發(fā)熱盤 散熱盤（黃銅盤）散熱盤（黃銅盤） 截面面積截面面積A hB 樣品樣品 12 TTQ S th B 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí):傳入的熱量等于散出的熱量傳入的熱量等于散出的熱量 21 TTTT t q t Q 穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品上下表面的溫度分穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品上下表面的溫度分 別為一定值別為一定值T1 和和 T2 即，樣品的傳熱速率等于散熱盤的散熱速率即，樣品的傳熱速率等于散熱盤的散熱速率 樣品樣品 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 S h TT TT t q B 21 2 S

7、 h TT t Q B 21 TT t q 2 21 TTTT t q t Q 由上式可見，關(guān)鍵是求散熱盤的散熱速率由上式可見，關(guān)鍵是求散熱盤的散熱速率 移開樣品，讓散熱盤自然散熱冷卻，在溫度移開樣品，讓散熱盤自然散熱冷卻，在溫度T2 附近，散熱盤的散熱速率大小可以表示為：附近，散熱盤的散熱速率大小可以表示為： TT t T mc TT t q 22 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 ppp hRR22 2 考慮散熱盤自由冷卻與穩(wěn)態(tài)時(shí)的散熱面積不同，考慮散熱盤自由冷卻與穩(wěn)態(tài)時(shí)的散熱面積不同， 穩(wěn)態(tài)時(shí)的面積為：穩(wěn)態(tài)時(shí)的面積為： ，自由冷卻，自由冷卻 時(shí)的面積為：時(shí)的面積為： ，根據(jù)物體冷卻，根據(jù)物

8、體冷卻 速率與它的表面積成正比的原理，在實(shí)際計(jì)算速率與它的表面積成正比的原理，在實(shí)際計(jì)算 銅盤銅盤P P的散熱速率時(shí)修正為：的散熱速率時(shí)修正為： PP PP PPP PPP hD hD TT t T mc hRR hRR TT t T mc TT t q 2 4 2 1 22 2 2 22 2 2 ppp hRR2 2 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 】 2 21 1 2 4 2 1 2 B B PP PP RTT h hD hD TT t T mc 于是，導(dǎo)熱系數(shù)為：于是，導(dǎo)熱系數(shù)為： S h TT TT t q B 21 2 根據(jù)：根據(jù)： 記錄橡膠盤（樣品）、黃銅盤（散熱板）記錄橡膠盤（樣品）

9、、黃銅盤（散熱板） 的直徑、厚度的直徑、厚度DB、hB、DP、hP, ,黃銅盤質(zhì)黃銅盤質(zhì) 量量mP， ，由實(shí)驗(yàn)室提供。 由實(shí)驗(yàn)室提供。 測(cè)量散熱板（黃銅板）的冷卻速率測(cè)量散熱板（黃銅板）的冷卻速率 ，計(jì)算，計(jì)算 。 【 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 內(nèi)內(nèi) 容容 】 穩(wěn)態(tài)法測(cè)橡膠盤上下表面的溫度穩(wěn)態(tài)法測(cè)橡膠盤上下表面的溫度T1 和和T2 TT t T 2 構(gòu)建熱傳遞的穩(wěn)定狀態(tài)構(gòu)建熱傳遞的穩(wěn)定狀態(tài) （1）調(diào)整好實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)整好實(shí)驗(yàn)裝置, ,各盤之間不能有間隙。各盤之間不能有間隙。 （2 2）調(diào)整電熱板的供電方式）調(diào)整電熱板的供電方式, ,人為控制發(fā)熱盤人為控制發(fā)熱盤 的溫度在的溫度在: : T T1 1 = = 10

10、0 .0 0C （3）當(dāng)發(fā)熱盤達(dá)到）當(dāng)發(fā)熱盤達(dá)到100 0C后，后，每隔每隔3 3分鐘分鐘觀察觀察 散熱盤的溫度散熱盤的溫度T T2 2 , , 記錄記錄T T1 1 和 和T T2 2 ；若在 ；若在1515分鐘分鐘 內(nèi)內(nèi)T T2 2基本保持不變則系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)已達(dá)到基本保持不變則系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)已達(dá)到穩(wěn)定穩(wěn)定 狀態(tài)狀態(tài)。對(duì)最后。對(duì)最后1515分鐘內(nèi)的分鐘內(nèi)的5 5次溫度分別求平均次溫度分別求平均 得得T T1 1和和T T2 2 測(cè)量散熱板（黃銅盤）的冷卻速率：測(cè)量散熱板（黃銅盤）的冷卻速率： 2 | TT t T （4 4）帶上手套抽出橡膠盤，使發(fā)熱盤）帶上手套抽出橡膠盤，使發(fā)熱盤A A與散熱

11、盤與散熱盤P P 直接接觸，通電使散熱板溫度比直接接觸，通電使散熱板溫度比T T2 2高高5 5 0 0C C時(shí)立即時(shí)立即 分離兩板，散熱盤開始自由冷卻，每隔分離兩板，散熱盤開始自由冷卻，每隔3030秒讀出秒讀出 散熱盤的溫度示值散熱盤的溫度示值T T2 2 ，選擇 ，選擇T T2 2附近前后各四個(gè)數(shù)附近前后各四個(gè)數(shù) 據(jù)填入記錄表，用逐差法進(jìn)行處理。據(jù)填入記錄表，用逐差法進(jìn)行處理。 /mv 210180150120906030 0 用逐差法求冷卻速率用逐差法求冷卻速率: 4 2109018060150301200 TTTTTTTT T 【數(shù)據(jù)記錄和處理數(shù)據(jù)記錄和處理】 記錄橡膠盤（樣品）和黃銅

12、盤（散熱板）記錄橡膠盤（樣品）和黃銅盤（散熱板） 的直徑、厚度的直徑、厚度DB、hB、DP、hP, ,黃銅盤（黃銅盤（ 散熱板）質(zhì)量散熱板）質(zhì)量mP。 采用采用逐差法逐差法求散熱板（黃銅板）在溫度為求散熱板（黃銅板）在溫度為 T2時(shí)的時(shí)的冷卻速率冷卻速率 ，其中，其中 t=120s。 記錄記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)橡膠盤上下表面的溫度穩(wěn)態(tài)時(shí)橡膠盤上下表面的溫度T1 和和T2 TT t T 2 計(jì)算橡膠板的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算橡膠板的導(dǎo)熱系數(shù) ，并與標(biāo)準(zhǔn)值比，并與標(biāo)準(zhǔn)值比 較，計(jì)算出百分比誤差。較，計(jì)算出百分比誤差。 【數(shù)據(jù)記錄和處理數(shù)據(jù)記錄和處理】 2 3.85 10c J /(kg K) 樣品在樣品在273K時(shí)導(dǎo)熱

13、系數(shù)的參考值時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的參考值 )Km/(W40.10 0 任意溫度下的標(biāo)準(zhǔn)值任意溫度下的標(biāo)準(zhǔn)值 3/2 0 273 T 我們按室溫我們按室溫 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值，并和平均值比較計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值，并和平均值比較 計(jì)算出相對(duì)誤差。計(jì)算出相對(duì)誤差。 T300K 100%E 相對(duì)誤差相對(duì)誤差 作冷卻曲線，測(cè)定作冷卻曲線，測(cè)定P盤降溫時(shí)，在盤降溫時(shí)，在T2附近附近 的冷卻速率的冷卻速率 2 )( T t T 2 T 2 T t (K) (s) 冷卻曲線 讓P盤完全暴露在空氣中進(jìn)行散熱，每隔30秒記下一 個(gè) 共記20個(gè)數(shù)據(jù)（盡量保證 處于中間部分）。 作出曲線以及 處的切線，求出斜率 。 2 T 2 )( T t T

14、 2 T 2 T 2 )( T t T 【數(shù)據(jù)記錄和處理數(shù)據(jù)記錄和處理】 【注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)】 1 使用前將加熱銅板 A與散熱銅板B擦 干凈，樣品兩端面 擦干凈后，可涂上 少量硅油，以保證 接觸良好。 2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如需 觸及電熱板，應(yīng)先 關(guān)閉電源，以免燙 傷。 3 n實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)切 斷電源，妥為放置 測(cè)量樣品，不要使 樣品兩端面劃傷而 影響實(shí)驗(yàn)的正確性。 1 什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱 狀態(tài)？狀態(tài)？ 2 什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者 在穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)有什么內(nèi)在聯(lián)系？在穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)有

15、什么內(nèi)在聯(lián)系？ 【分分 析析 思思 考考】 華中科技大學(xué)文華學(xué)院華中科技大學(xué)文華學(xué)院 1. 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)熱”全稱全稱“穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱”，亦稱，亦稱“穩(wěn)定導(dǎo)熱穩(wěn)定導(dǎo)熱”。 物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程。物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)中根穩(wěn)態(tài)時(shí)，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)中根 據(jù)樣品上下表面的溫度（即加熱盤和散熱盤的溫度）連續(xù)據(jù)樣品上下表面的溫度（即加熱盤和散熱盤的溫度）連續(xù) 10min內(nèi)保持不變，判斷實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。內(nèi)保持不變，判斷實(shí)驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。 2. 傳熱速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)物體橫截面的熱量；傳熱速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)物體橫截面的熱量； 散熱速率：物體單位時(shí)間內(nèi)散失散熱速率：物體單位時(shí)間內(nèi)散失 的熱量；的熱量； 冷卻速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體溫度的減少量。冷卻速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體溫度的減少量。