稳态法测量导热系数
TC—3型导热系数测定仪
实验讲义
杭州富阳精科仪器有限公司
（原杭州富阳电表厂）
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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。材料结构的变化与含杂志等因素都会对导热 数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过试验来具体测定。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，待测样品的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本试验采用稳态进行测量。
【试验目的】
用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。
【试验原理】
根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1>T2）,若平面面积为S,在△t时间内通过面积S的热量△Q满足下述表达式:
式中
?QT1?T2=?S (1) ?th?Q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?t?1?1的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是W?m?k。本
试验仪器如图所示：
图 1 稳态法测定导热系数试验组装图
在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待侧样品B（圆盘形的不良导体），再把带发 热器的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A传到B盘，在传到P盘，由于A、P 盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别由插入A、 P盘边缘小孔热电偶E来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感
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切换”开关G，切换A、P盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道， 单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为
T?T2?Q=?1?R2hb?tB （2）
公式中RB为样品的半径，hB为样品的厚度，当然传导达到稳定状态时，T1、T2的值 不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速度相等，因此，可通 过铜盘P在稳定温度T2时的散热速度来求出热流量
?Q。试验中，在读得稳定时的T1、 ?t和T2后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘P接触。当盘P的温度上升到高于稳 定时的T2值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却。观察其温度T随时间 T变化情况同，然后由求出铜盘在T2的冷却速率
?T?T?Q︱＝T2，而mcT=T2=（m为 ?t?t?t紫铜盘P的质量，C为铜材的比热容）就是紫铜盘P在温度为T2时的散热速度。但要注意 ，这样求出的
2?T是紫铜盘的全部表面暴露与空气中的冷却速率，其散热表面积为 ?t2?R+2?Rphp（其中Rp与hp分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而在观察测试样品的稳态 传热时，P盘的上表面（面积为?R2p）是被样吕覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的 表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正：
2?Q?T(?Rp?2?Rphp) （3） ?mc?t?t(2?R2P?2?RPhp)将式（3）代入（2），得：
(Rp?2hp)?hB?T1 ??mc?2 （4）
?t(2Rp?2hp)(T1?T2)?RB
【试验仪器】
试验采用杭州富阳精科仪器有限公司生产的TC—3型导热系数测定仪。该仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待侧样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。 热端分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。利用面板上的开关可方便地直接侧出两个
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温差电动势，温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量，再根据附录的铜一康铜分度表转换成对应的温度值。
仪器设置了数字计时装置，计时范围166mim,分辨率1S，供实验时计时用。仪器还设置了PID自动温度装置，控制精度?1C，分辨率0．１Ｃ，供实验时加热温度用。
??【实验内容】
在测量导热系数前应先对散热盘Ｐ和待测样品的直径、厚度进行测量。 １、用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测５次。
２、用游标卡尺测量散热盘Ｐ的直径和厚度，各５次，按平均值计算Ｐ盘的质量。也可直接
用天平称出Ｐ盘的质量。 一、不良导体导热系数的测量
１、实验时，先将待测样（例如硅橡胶圆片）放在散热盘上面，然后将发热盘A放在样品
盘B上方，并用固定螺旋母固定在机架上。再调节三个螺旋头，使样品盘的上下表面与发热盘和散热盘紧密接触。
２、在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷却端（黑色）插入杜瓦瓶中。将热电偶的热
端（红色）分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将其插入加热盘A和散热盘P的热电偶接线连接到仪器面板的传感器I、II上。分别用专用导线将仪器机箱后部分与加热组件圆铝板上的插座间加以连接。
３、接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度（具体操作见附录4）。将加热
选择开关由“断”打向“1～3任意一档，此时指示灯亮，当打向“3”档时，加温速度
最快，如PID设置的上限温度为100C时。当传感器I的温度读数VT1为4.2mV,可将开关打向“2”或“1”档，降低加热电压。
４、传感器I、II的读数不再上升（VT1和VT2的数值在10min内的变化小于0.03mV,约需
40分钟，视不同的试验条件而不同）时，说明已达到稳态，每隔3分钟纪录VT1和VT2的值。
５、在试验中，如需掌握利用直流电位差计，通过热电偶来测量温度的内容，可将“传感器
切换”开关转至“外接”，在“外接”两接线柱上UJ36a型直流电位差计的“未知端即可测量散热铜盘上热电偶在温度变化时所产生的电压差（具体操作方法见附录3） ６、测量散热盘在稳态值T2附近的散热速度率（
??Q）。移开铜盘A，取下橡胶盘，并使?t铜盘A的低面与铜盘P直接接触，当P盘的温度上升到高于稳态的VT2值。根据测量值计算出散热速率
?Q。 ?t二、金属导热系数的测量
1、先将两快树脂圆环套在金属筒两端涂上导热硅脂，然后把圆柱体金属铝棒（厂家提供）置于发热圆盘之间。调节散热盘P下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热盘A及散热盘P紧密接触。
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2、当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，T1、T2值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P的温度为T3值。因此测量P盘的冷却速度为：
?QT?T3 ?t?Q1hT?T3×× ?tT1?T2mR2由此得到导热系数为： ??mc 测T3值时可在T1、T2达到稳定时，将插在发热圆盘与散热圆盘中的热电偶取出，分别插入金属圆柱体上下两孔中进行测量。
三、当测量空气的导热系数时，通过调节三个螺旋头，使发热圆盘与散热圆盘的距离为h，
并用塞尺进行测量（即塞尺的厚度），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过人。
【注意事项】
１、 放置热电偶的散热圆盘侧面的小孔应与杜瓦瓶同一侧，避免热电偶线相互交叉。 ２、 试验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒侧面的紧定螺钉。样品取出后，小心
将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，应防止高温烫伤。
【数据与结果】
１、 试验数据记录（铜的比热c=0.09197cal.g
?1.C
??1,比重8.9g/cm）
3 散热盘P： 质量m= (g) 半径Rp= 1 2 3 1Dp= （cm） 2 4 5 DP（cm） hp(cm) 橡胶盘：半径RB= 1DB= (cm) 22 3 4 5 1 DB(cm) hB(cm) - 5 -