其定义为单位时间内通过单位面积的热能与温度梯度之比。热.PDFVIP

用稳态法测不良导体的热导率 热传导是指热量从物体温度较高部分沿着物体传到温度较低部分的方式，它 是三种传热模式（热传导、对流、辐射）之一。各种材料都能够传热，但是不同 材料的热传导性能不同。热导率又称 “导热系数”，是表征材料热传导性能的基 本物理量, 其定义为单位时间内通过单位面积的热能与温度梯度之比。热导率高 的材料称为热的良导体，否则为热的不良导体。热导率受材料本身的状态、成分、 结构、密度以及湿度、温度和压力等综合因素影响。在科研、生产很多领域，材 料的热导率是应用材料的一个重要指标。 目前，测量固体材料的热导率一般有两种实验方法：稳态法和动态法。稳 态法测量是基于样品内部待测热导率方向形成稳定的温度差，利用稳定传热过程 中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测量样品的热导率。动态法测量热导率 是在被测样品整体达到温度均匀恒定后，加载微小的温度扰动，通过检测此温度 扰动直接计算出被测样品在此恒定温度下的热导率。稳态测量法原理清晰，计算 公式简单，可用于较宽温区的测量，但测定时间较长和对环境要求较严格。动态 法测试对边界条件没有太多的要求，测试设备相对比较简单，但动态法的测试数 据方法一般都比较复杂，甚至要进行复杂的数学公式进行各种修正。 本实验应用稳态法中的平板法测量不良导体的热导率，学习用物体散热速率 求热导率的实验方法。 【实验目的】 1. 了解热传导现象的物理过程，掌握用稳态法测量不良导体热导率的原理。 2. 掌握测量冷却速率的方法，以及通过散热速率求传热速率以及热导率。 3. 了解热电偶的原理以及使用方法。 【实验原理】 法国数学家、物理学家约瑟夫.傅里叶（Joseph Fourier ）于1882 年建立了傅 里叶热传导定律，即：如果物体内部有温差存在时，热量将从物体高温部分流向 低温部分，dt 时间内流过dS面积的热量dQ正比于温度梯度，其比例系数既是热 导率。其热传导的基本公式为： =−λ (1) 式中 为传热速率， 是与面积dS相垂直方向上的温度梯度，“- ”号表示热量由 高温传向低温。λ 即为热导率，其具体定义为：在物体内部垂直于导热方向取两 个相距1 米、面积为1 平方米的平行平面，若两个平面的温度相差 1K，则在1 秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为 ⁄( ) ⁄( ) W m ∙ K 或 J m ∙ s ∙ K 。 本次实验采用稳态法中的平板法来测量作为不良导体样品的传热速率 ，再 利用傅里叶热传导公式直接计算出热导率。此方法是C. H. Lees 于1898 年首先 使用。其实验原理如图1 所示： 发热盘A 样品B 散热盘C 热流 图1 平板法测不良导体热导率示意图 加热盘A、样品B 和散热盘C均做成直径相同的圆盘平板状，即： = = 。 样品B 其上端面与一均匀、稳定发热的发热盘A 充分接触，下端面与一均匀散热 盘C 充分接触。热量由发热盘A 通过样品B 上表面传入，并由样品B 下表面向散 热盘C 散发。由于平板样品B 的侧面积相较与上下端面面积小很多，可以近似认 为热量只沿着上下端面垂直方向传递，横向由侧面散去的热量忽略不计。即可以 认为，样品内