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实验2—18 不良导体导热系数的测定 导热系数，工程上又称热导率，是描述材料性能的一个重要参数，在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。由于材料结构的变化对导热系数有明显的影响，导热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义，而且对新材料的研制和开发也具有重要意义。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。测量良导体和不良导体导热系数的方法各有不同。对于良导体，常用流体换热法测量所传递的热量，计算导热系数；对于不良导体，通过测量传热速率，间接测量所传递的热量，计算导热系数。稳态平板法是测量不良导体导热系数的一种常用方法。 【实验目的】 1．．【实验仪器】 本实验所用仪器有：实验装置、红外灯、调压器、杜瓦瓶、热电偶、电压表、秒表等。 实验装置如图2—18—1所示，在支架D上先后放上圆铜盘C、待测样品B和厚底紫铜圆筒A。在A的上方用红外灯L加热，使样品上、下表面各维持稳定的温度T1、T2，它们的数值分别用各自的热电偶E来测量，E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。G为双刀双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路，电压表F用以测量温差电势。 【实验原理】 热传导理论指出，只要物质内部的温度不均匀，便有热量传递。根据热传导定律，沿直线Z方向，在dt时间内通过垂直于L方向上的面积元ds传递的热量为 式中负号表示热量沿着温度降低的方向传递；是温度梯度；为导热系数。 对于一个厚度为h、面积为S的圆形板状的不良导体，若维持上、下面稳定的温度T1和T2,其侧面绝热，则在时间t内，沿着与S面垂直方向上传递热量可表示为 （1） （2—18—2） 式中hB为样品厚度，RB 为样品圆板的半径，T1为样品圆板上表面的温度，T2为其下表面的温度，λ为样品B的导热系数。 当传热达到稳定状态时，T1和T2温度值稳定不变，通过B板的传热率与黄铜盘C向周围环境的散热速率完全相等。因而可通过黄铜盘C在稳定温度T2时的散热率来求出△Q/△t。实验时，当读得稳态时的T1、T2后，即可将样品B板取走，让圆筒的底盘与下盘C接触，使盘C的温度上升到高于T2若干度后，再将圆筒A移去，让黄铜盘C作自然冷却，求出黄铜盘在T2附近时的冷却速率。则（m为黄铜盘的质量，c为黄铜盘的比热）就是黄铜盘C在T2时的散热率。但由此求出的△T/△t是黄铜盘C的全部表面暴露于空气中的冷却速率，即散热表面积为，而实验中达到稳态传热时，C盘的上表面面积πRC2是被测样品所覆盖着的，考虑到物体的冷却速率与它的表面成正比，校正后，本仪器在稳态时的传热速率为： （2—18—3） 式中RC、hC分别为黄铜盘C的半径与厚度。将上式代入到（2—18—2）式中得： （2—18—4） 式中RB、hB分别为样品如橡皮圆盘的半径与厚度。 【实验内容】 1．测量并记录样品圆板B和黄铜盘C的几何尺寸RB、RC、hB、hC（多次测量取平均值）以及黄铜盘质量m。 2．安装调整仪器，连接测温、测压线路。 圆筒A底盘的侧面和黄铜盘C的侧面，都有插热电偶的小孔。安置圆筒、圆盘时要注意使小孔皆与杜瓦瓶、毫伏计在同一侧。热电偶热端插入小孔时，要粘上些硅油，并插到底部，使热电偶与铜盘接触良好。同样，热电偶冷端处的细玻璃试管内，也要灌入适当的硅油，再浸入冰水中。 3．根据稳态法，记录稳态时样品上下表面温度T1、T2。为了提高效率，加热时先将红外灯的电压调到180至200伏，加热约20分钟后再降至130至150伏。在整个升温过程中，每隔二分钟读一下温度示数。若十分钟内，样品上下表面温度T1、T2示值都不变时，可认为已达稳定状态。 4．记录下达到稳定状态的T1、T2后，抽出样品盘，使圆筒A与铜盘C接触加热，当铜盘C温度比T2高出10℃左右后，再移去A圆筒。让盘C自然冷却，每隔30秒读一下C盘温度示值，由其中邻近T2的温度值求出冷却速率。 【注意事项】 1．红外灯电源电压不得超过210伏。 2．取出样品盘时，注意其温度避免烫伤。 【数据处理】 1. 测量与记录数据 样品： 室温： ； 散热圆铜盘C比热容：C= ； 散热圆铜盘C质量：m= g； 厚度h(mm) 半径R(mm) 散热圆盘C 橡皮样品 绝缘样品 稳态时，样品上表面的温度T1= ，下表面的温