一、概述
導熱系數(shù)(熱導率)是反映材料導熱性能的物理量，它不是評價材料的重要依據(jù)，而且是應用材料時的一個設計參數(shù)，在加熱器、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)。因為材料的熱導率不隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響熱導率的數(shù)值，所以在科學實驗和工程技術(shù)中對材料的熱導率常用實驗的方法測定。
測量熱導率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本測試儀采用穩(wěn)態(tài)法測量不同材料的導熱系數(shù)，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質(zhì)的導熱系數(shù)是熱學實驗中的一個重要內(nèi)容。
本測試儀由加熱器、數(shù)字電壓表、計時秒表組成（采用一體化設計）
二、主要技術(shù)指標
1、電源：AC(220&plun;10%)V ，(50/60)Hz
2、數(shù)字電壓表：3位半顯示，量程0~20mV，測量：0.1%+2個字
3、數(shù)字計時秒表:5位記時表，小分辨率0.01S；：10-5
4、測量溫度范圍：室溫~120℃
5、加熱電壓：高端：AC36V 低端：AC25V
6、散熱銅板：半徑：65mm 厚度：7mm質(zhì)量：815g
（以上的參數(shù)已在每一塊銅板上標注）
7、測試材料：硬鋁、硅橡膠、膠木板、空氣等
8、連續(xù)工作時間：>8小時
三、儀器的面板圖
上面板圖
下面板圖
四、溫度控制器的使用說明
（見操作說明）
五、儀器維護與保養(yǎng)
1、使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以接觸良好。注意，樣品不能連續(xù)做試驗，是硅橡膠須降至室溫半小時以上才能下試驗。
2、在實驗過程中，如若移開電熱板，就先關(guān)閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉(zhuǎn)動，以免燙傷手。
3、實驗結(jié)束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，影響實驗。數(shù)字電壓表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時先查熱電偶及各個環(huán)節(jié)的接觸是否良好。
4、儀器在搬運及放置時，應避免強烈振動和受到撞擊。
5、儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗?，潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度應小于80%。
6、儀器使用時,應避免周圍有強烈磁場源的地方。
7、長期放置不用后再次使用時，請先加電預熱30min后使用。
導熱系數(shù)的測量
導熱系數(shù)(熱導率)是反映材料熱性能的物理量，導熱是熱交換三種（導熱、對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、等各個研究領(lǐng)域的課題之一，要認識導熱的本質(zhì)和特征，需了解粒子物理而目前對導熱機理的理解大多數(shù)來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。因此，材料的導熱系數(shù)不與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學實驗和工程設計中所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學參數(shù)手冊或教科書的數(shù)據(jù)和圖表中查尋）
1882年法國科學家J•傅里葉奠定了熱傳導理論，目前各種測量導熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律基礎，從測量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法，本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導熱系數(shù)。
【實驗目的】
1、了解熱傳導現(xiàn)象的物理過程
2、學習用穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導熱系數(shù)
3．學習用作圖法求冷卻速率
4、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進行溫度測量的方法
【實驗儀器】
1、YBF-2導熱系數(shù)測試儀 一臺
2、保溫杯 一只
3、測試樣品（硬鋁、硅橡膠、膠木板） 一組
4、塞尺 一把
【實驗原理】
為了測定材料的導熱系數(shù)，先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，那么在Z軸上任一位置Z0處取一個垂直截面積dS（如圖1）以 表示在Z處的溫度梯度，以 表示在該處的傳熱速率（單位時間內(nèi)通過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成：
(S1-1)
式中的負號表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導（即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)λ即為導熱系數(shù),可見熱導率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。
利用（S1-1）式測量材料的導熱系數(shù)λ，需解決的關(guān)鍵問題兩個：一個是在材料內(nèi)造成一個溫度梯度 ，并確定其數(shù)值；另一個是測量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率 。
1、關(guān)于溫度梯度
圖（2） |
（圖1） |
為了在樣品內(nèi)造成一個溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導體——銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h≤D（樣品直徑）。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導體，在平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅
板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度 。當然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸（無縫隙），否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。
為了樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。
2、關(guān)于傳熱速率
單位時間內(nèi)通過一截面積的熱量 是一個無法直接測定的量，我們設法將這個量轉(zhuǎn)化為較為容易測量的量，為了維持一個恒定的溫度梯度分布，須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅塊，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統(tǒng)就一個動態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與其冷卻速率（溫度變化
率 ）有關(guān)，其表達式為：
（S1-2）
式中m為銅板的質(zhì)量，c為銅板的比熱容，負號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質(zhì)量容易直接測量，c為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量：在穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高于穩(wěn)定溫度T2（大約高出10℃左右）再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中間的變化關(guān)系，描繪出T—t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時T2下的冷卻速率。
應該注意的是，這樣得出的 是在銅板表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2πRP2+2πRPhP(其中RP和hP分別是下銅板的半徑和厚度)然而在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面（面積為πRP2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時，銅板散熱速率的表達式應修正為：
(S1-3)
根據(jù)前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。
將上式代入熱傳導定律表達式，并考慮到ds=πR2可以得到導熱系數(shù)：
（S1-4）
式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、c為銅塊的比熱容、RP和hP分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。
【實驗步驟】
1、用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和質(zhì)量等要的物理量，多次測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385kJ/(K.kg)。
2、安置被測材料和下銅盤時，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶同一側(cè)。熱電偶銅盤上的小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。
穩(wěn)態(tài)法測量時，一般采用自動控溫，這時控制方式開關(guān)打到“自動”，手動控制開關(guān)打到中間位置。溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，具體時間與被測材料和目標溫度及環(huán)境溫度的不同而不同。手動測量時，為縮短時間，可先將“手動控制”開關(guān)打在，時間后，毫伏表讀數(shù)接近目標溫度對應的熱電偶讀數(shù)，即可將開關(guān)撥至低檔，通過調(diào)節(jié)手動開關(guān)的、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在&plun;0.03mV范圍內(nèi)。
待上銅盤的溫度穩(wěn)定后，觀察下銅盤的溫度變化情況，每隔30秒記錄上、下圓盤A和P對應的毫伏讀數(shù)，待下圓盤的毫伏讀數(shù)在3分鐘內(nèi)變化一個字以內(nèi)，即可認為已穩(wěn)定狀態(tài),記下此時的VT1和VT2值。
3、記錄穩(wěn)態(tài)時T1、T2值后，移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時，移去圓筒，讓下銅盤表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下值。作銅板的T—t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。
4、根據(jù)（S1-4）計算樣品的導熱系數(shù)λ。
5、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100℃時，其溫差電動勢約4.27mV，故應配用量程0～20mV,并能讀到0.01mV的數(shù)字電壓表（數(shù)字電壓表前端采用自穩(wěn)放大器，故無須調(diào)）。由于熱電偶冷端溫度為0℃,對材料的熱電偶而言，當溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（0℃）的比值是一個常數(shù)。由此,在用（S1-4）計算時,可以直接以電動勢值代表溫度值。
