YBF-2导热系数测定仪讲义

YBF-2型导热系数测试仪

（实验指导书）

杭州大华仪器制造有限公司

HZDH 杭州大华 导热系数测定（YBF）

YBF—2 导 热 系 数 测 试 仪

【实验目的】

1．掌握热电偶温度计定标

2．利用物体的散热速率求传热速率

（用稳态平板法测定不良导体的导热系数）

【仪器用具】

1．测定仪（含实验装置、数字电压表、数字秒表及PID控制表） 一台 2．保温杯（或DH-TD低温实验仪） 一只/台 3．硬铝样品 一根 4．橡皮样品 一块 5．陶瓷样品 一根 6．牛筋样品 一块 7．绝缘圆盘 一块 8．测片 一把

【实验内容】

一．对铜—康铜热电偶温度计定标。

二．测量物体在室温～100℃多点的导热系数，画出曲线。

1． 测量不良导体的导热系数。本仪器附橡皮、陶瓷、牛筋等样品供教学测试用。 2． 测量金属的导热系数。本仪器附有硬铝测试样品。 3． 测量空气的导热系数。

【结构特性】

（实验装置装配见装配图）

在使用中，样品架的三个螺旋微头是用来调节散热盘P和圆筒加热盘A之间距离和平整度的。除测量金属样品时不用圆筒固定外，其它如测橡皮和空气的导热系数时，均需将圆筒的固定轴对准样品支架上的圆孔插入，并用螺母旋紧。具体步骤是：先旋下螺母，将加热圆筒放下；使固定轴穿过圆孔，再将螺母旋上并拧紧，最后固定筒后的紧固螺钉，从而由三个螺旋测微头来调节平面和待测样品厚度。

【测量范围、精度】

1．PID控制：精度±1℃；最小分辨率0.1℃

2．温度测量部分：室温0～110℃；测量精度：±1℃；温差测量的精度0.5℃ 3．计时部分：范围0～100 min；最小分辨率1S；精度：10-5 4．电压表：精度0.1%

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【实验原理】

导热是物体相互接触时,由高温部分向低温部分传播热量的过程。当温度的变化只是沿着一个方向(设Z方向)进行的时候，热传导的基本公式可写为： dT

dQ???()Z0ds?dt (2-9-1) dz 它表示在dt时间内通过ds面的热量为dQ，dT/dz温度梯度，λ为导热系数，它的大小由物体本身的物理性质决定,单位为w/(m?k)，它是表征物质导热性能大小的物理量,式中负号表示热量传递向着降低的方向进行。

在图1中，B为待测物，它的上下表面分别和上下铜盘接触，热量由高温铜盘A通过待测物B向低温铜盘传递，若B很薄，则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量沿着垂直待测圆板B的方向传递。那么，在稳定导热（即温度场中各点的温度不随时间而变）的情况下，在Δt时间内，通过面积为S、厚度为h的匀质板的热量为:

?T?Q???S??t (2-9-2) h△ T表示匀质圆板两板面的恒定温差。若把（2-9-2）式写成: ?Q?T (2-9-3) ???S?th

的形式。那么△Q/△t，便为待测物的导热速率。只要知道了导热速率，由（2-9-3）式

即可求出λ。下面我们来求△Q/△t。

实验中，使上铜盘A和下铜盘P分别达到恒定温度T1、T2，并设T1>T2。即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热。因为T1和T2不变，所以，通过B的热量就等于P向周围散发的热量，即B的导热速率等于P的散热速率。因此，只要求出了P在温度T2时的散热速率，就求出了B的导热速率△Q/△t。

因为P的上表面和B的下表面接触，所以P的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为S部。而实验中冷却曲线P是全部裸露于空气中测出来的，即在P的下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。设其全部表面积为S全，根据散热速率与散热面积成正比的关系得

??Q? ???t??部S部 ??QS全?? (2-9-4) ????t?全

A

B

P 图1

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式中：（△Q/△t）部为S部面积的散热速率；（△Q/△t）全 为S全面积的散热速率。而散热速率（△Q/△t）部就等于（2-9-3）式中的导热速率△Q/△t,这样（2-9-3）式便可写作：

?T??Q??S??部??? (2-9-5) h??t?

设下铜盘直径为D，厚度为δ，那么有：

2 ?D?S部??????D? ?2?2 (2-9-6) ?D?S全?2?????D? ?2? 由比热容的基本定义C=ΔQ/m·ΔT′,得ΔQ=cmΔT′,故 cm?T'??Q???全? (2-9-7) ?t??t?

将（2-9-6）、（2-9-7）两式代入（2-9-4）式，得： D?4???Q?部?cmK?? (2-9-8) ?t2D?4???

将（2-9-8）式代入（2-9-5）式得：

?cmKh?D?4???? (2-9-9) 1?D2?T1?T2??D?2??

2?T 式中： K?T?T2?t

m——下铜盘的质量 c——下铜盘的比热容

【实验步骤】

1． 用游标卡尺多次测量下铜盘的直径D、厚度δ和待测物厚度L，然后取平均值。下铜

盘的质量m由天平称出，其比热容C=3.805*102 J/кg?℃

2． 安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中（或直接接低温实验仪提供冷端的热电偶，并使温度控制在0℃） 3． 根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压打到高档，加热约20分钟后再打至低档。然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内（如10分钟）样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时T1、T2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比T2高出10℃左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率。

在采用PID自动控温时，可连续在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃时并使得在各点 T1、T2值稳定不变（准稳定状态）。记录稳态时各温点T1、T2值后。照上述方法移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔10～20秒读一次下铜盘的温度示值，并求50℃、

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