五、不良导体导热系数的测量3

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1、实验五不良导体导热系数的测量导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，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，另一类为动态法。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布，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。【实验目的】1、掌握导热系数测定仪的使用方法；2、用稳态法测定出不良导体的导热系数，并与理论值进行比较。【实验仪器】型导热系数测定仪

2、。由电加热器,铜加热盘,铜散热盘,支架及调节螺丝,温度传感器,控温与测温器，硬铝、胶木板、标准空气塞尺、橡皮样品盘组成。【实验原理】早在1882年，法国科学家丁·傅里叶就提出了热传导定律，目前各种测量导热系数的方法都建立在傅里叶热传导定律基础上。热传导定律指出：如果热量是沿着z方向传导，那么在z轴上任一位置zo处取一个垂直截面积ds，以表示在z处的温度梯度，以表示该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds的热量），那么热传导定律可表示成：（1）式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反），比例数λ即为导热系数，可见导热系数的物理意义：

3、在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过截面单位面积的热量。利用（1）式测量材料的导热系数λ，需解决两个关键的问题：一个是如何在材料内造成一个温度梯度并确定其数值；另一个是如何测量材料内由高温区向低温区的传热速率。1、关于温度梯度5样品上铜板加热传热散热下铜板图1传热示意图为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间，如图1，使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2，就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。若样品厚度远小于样品直径（h﹤﹤D），由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不

4、计，可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温度T1、T2，就可以确定样品内的温度梯度。当然这需要铜板与样品表面紧密接触无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两块铜板都加工成等大的圆形。2、关于传热速率单位时间内通过某一截面积的热量是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布，

5、必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度T2下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）有关，其表达式为（2）5图2散热盘的冷却曲线图t（s）T（℃）K=ΔT/Δtt1t2T22T21T2式中的m为铜板的质量，C为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向

6、传递。由于质量容易直接测量，C为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳态温度T2（大约高出10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T—t曲线（见图2），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。3、型导热系数测定仪使用原理热传导定律指出：在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为、温度分别为的平行平面（设），若平面面积均为，在时间内通过面积的热量满足

7、下述表达式：(1)式中为热流量，即为该物质的热导率（又称作导热系数），在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是。图1为TC-3A型导热系数测定仪中加热盘及待测样品置放示意图。图中：1—防护罩2—加热部件总成3—加热圆铜盘（A）4—待测样品（B）5—调节螺杆6—散热圆铜盘（P）7—铂电阻温度传感器（）按图1所示，在调节螺杆上先放上散热圆铜盘，在的上面放上待测样品（圆盘形的不良导体），再把带加热器的圆铜盘放在上，加热器通电后，热量从盘传到盘，再传到P盘，由于盘都是良导体，其温度即可以代表盘上、下表面的温度5、，、分别由

8、插入盘边缘