1、1F DT CB 导热系数测定仪说明书一、概述导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法；一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品温度分布是随时间变化的。 本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器，FDTCB 型是 FDTCI I 型改进型，加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器，读数显示为摄氏度，精度是 0.1，散热盘测温传感器由另一单片机控制，读数精度也为 0.1。该仪器结构牢
2、固、测控方便，已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。 二、用途 (1)测量不良导体的导热系数，本仪器附有橡皮样品供教学测试用。(2)学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。 (3)学习温度传感器的应用方法。 三、仪器组成与技术指标1仪器组成(如图 1 所示) (1)热源：电热管、加热铜板；(2)样品架：样品支架、样品板；(3)测温部分：单片电脑测温及控制仪。(4)橡皮样品、导热硅脂(配件 )2技术指标 A、温控仪与测温仪（1）温度计显示工作温度：0一 100（2）恒温控制温度：室温一 80。(3)控制恒温显示分辨率：O 1B、温度传感器 DS18B20 的结构与技术特性(控温及测量用)(1)
3、温度测量范围：55125(2)测温分辨率：0.0625 (3)引脚排列、(如图 2 所示 )： 图 2(4)封装形式：TO 一 9 2 详细应用软硬件请参阅相关资料C不良导体导热系数测量图 12不确定度： l O四、安装步骤(1)取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定；调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，不宜过紧或过松；(2)插好加热板的电源插头；再将 2 根连接线的一端与机壳相连，另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘的小孔中(注意：要一一对应，不可互换) ；（3）开启电源后，左边表头显示从 FDHC当时温度b= = = 其含义是告知用户，请设定控制温度。右边
4、表头显示散热盘的测量温度。五、实验方法 (1)设定加热器控制温度：按升温键左边表显示由 B00.0 可上升到 B80.0 摄氏度。一般设定 7 58 0较为适宜。根据室温选择后，再按确定键，显示变为 AX XX 之值，即表示加热盘此刻的温度值，加热指示灯闪亮，打开电扇开关，仪器开始加热。(2)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可以每隔一分钟，记录一次，待在 1 0 分钟内加热盘和散热盘的温度都基本保持不变，可以认为已经达到稳定状态了。 (3)按复位键停止加热， ，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到 8 O加快加热 C 盘的温度上升( 按升温键和确定
5、键)使散热盘在原温度上升 2 0左右即可以了。(4)移去加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔 1 O 秒(或者稍长时间，如 2 0 秒或者 3 0 秒) 记录该盘的温度。作散热曲线，计算散热盘的冷却速率。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度 1 和 2 不变，这时可以认为加热盘 C 通过样品传递的热流量与散热盘 P 向周围环境的散热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度 2 时的散热速率来求出热流量Q/t。在达到稳态的过程中，P 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘 P 的散热速率表达式应作面积修正：（7）PPhRtmctQ22其中 为散
6、热盘 P 的半径， 为其厚度。PRph由(3)式和(7)式可得：（其中 为样品盘 B 的半径， 为其厚度）BB（8）PPB hRtmch2221 所以样品的导热系数 为：（9）212 BPhRtc六、注意事项3(1)该测定仪用单片电脑控制，最高控制温度为 80，读数误差为 0.1。电加热时加热指示灯闪亮，随着与设定值的接近，闪亮变慢，超过设定温度 1即自动关加热电源，低于设定温度自动开启。(2)加热盘和散热盘侧面两个小孔安装数字式温度传感器，不可插错。近电源开关的接插件为加热传感器，应插入加热盘的小孔内，另一个传感器插入散热盘的小孔，特别注意插小孔之前涂上少许导热硅脂或者硅油，使其接触良好。(
7、3)使用前将加热盘与散热盘及样品的表面擦干净，可以涂上少量硅油或者导热硅脂，以保证接触良好。在固定安装加热盘、散热盘和样品时三个调节螺丝不宜过紧过松，用力要均匀( 手感一致)。(4)在实验过程中，需移开加热盘时，请先关闭加热电源，移开热圆筒时，手应握固定轴转动，以免烫伤手；实验结束后，切断总电源，保管好测量样品，不要使样品两端面划伤，以至影响实验的精度。稳态法测量不良导体的导热系数导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热
8、源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品) 的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。实验原理1898 年 CHLe e s首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状
9、，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为 ，根据傅立叶传导方程，在 时间内通12t过样品的热量 满足下式：Q（1） 式中 为样品的导热系数， 为样品的厚度，SShtB21Bh为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为 ，则由（1)式得：d4（2）214BdhtQ实验装置如图 1 所示、固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘
10、 P，散热盘P 可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品 B，样品 B 上放置一个圆盘状加热盘 C，其面积也与样品 B 的面积相同，加热盘 C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度 和 不变，这时可以认为加热盘 C12通过样品传递的热流量与散热盘 P 向周围环境散热量相等，因此可以通过散热盘 P 在稳定温度 时的散热速率来求出热流量 。2Qt实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度 和 后，将样品 B 抽去，让加热盘12C 与散热盘 P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的 值 20或者 20以上后，移开加
11、热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度 随时间 t 的下降情况，求出散热盘在 时的冷却速率 ，则散热盘 P 在 时的散热速率为：22t 2（3） 其中 m 为散热盘 P 的质量，c 为其比热容。2tmctQ在达到稳态的过程中，P 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘 P 的散热速率的表达式应作面积修正：（4）hRtct 22其中 为散热盘 P 的半径， 为其厚度。由(2) 式和(4)式可得：pRp（5）PPB htmcdh2421 2所以样品的导热系数 为：（6）21422 BPdhRtc实验仪器FDTCB 型导热系数测定仪装置如图 1所
12、示，它由电加热器、铜加热盘 C、橡皮样品圆盘 B、铜散热盘 P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。5实验内容 (1)取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松：(2)按照图 1 所示，插好加热盘的电源插头；再将 2 根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的孔上下
13、对齐 (注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换)(3)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从 FDHC，然后显示当时温度，当转换至 b= = =时，用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。(4)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在 1 0 分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。(5)按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到 80，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的 值 20左2右
14、即可。（6)移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔 1 0 秒( 或者 3 0 秒) 记录一次散热盘的温度示值，由临近 值的温度数据中计算冷却速率 。也可以根据记录22t数据做冷却曲线，用镜尺法作曲线在 点的切线，根据切线斜率计算冷却速率。26(7)根据测量得到的稳态时的温度值 和 以及在温度 时的冷却速率，由公式122计算不良导体样品的导热系数。21422 BPdhRtmc注意事项1为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘
15、紧密接触，注意不要中间有空气隙；也不要将螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。2导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要打开。实验数据例(仅供参考)样品：橡皮； 室温：20；散热盘比热容(紫铜)：C=385 J(KgK )； 散热盘质量：m=891.42g ；散热盘厚度 (多次测量取平均值 )： 表 1 散热盘厚度 (不同位置测量)Phm/7.63 7.62 7.73 7.61 7.73 7.65所以散热盘 P 的厚度 =7.66mm；Ph散热盘半径 (多次测量取平均值 )： 表 2 散热盘直径（不同
16、角度测量）RmDP130.00 129.98 130.00 129.99 130.01 130.00所以散热盘 P 的半径： =65.00mm；P橡皮样品厚度 (多次测量取平均值 )： 表 3 橡皮样品厚度（不同位置测量）Bhm/8.07 8.07 8.06 8.05 8.05 8.06所以橡皮样品厚度 =8.06mm；B橡皮样品直径 (多次测量取平均值 )：表 4 橡皮样品直径（不同角度测量）dmB/129.22 128.82 128.92 129.16 129.00 128.99所以橡皮样品直径 =129.02mm；B7稳态时(1 0 分钟内温度基本保持不变,样品上表面的温度示值 ，样品下
17、2.801表面温度示值 。.452每隔 10 秒记录一次散热盘冷却时的温度示值，如表 5：表 5 散热盘每隔 10 秒自然冷却时温度记录/ 47.9 47.4 47.0 46.5 46.0 45.5 45.1/ 44.7 44.2 43.8 43.4 43.0 42.6 42.2作冷却曲线得到：取临近 温度的测量数据求出冷却速率 /S。 (或者用镜尺法求220.4t出冷却速率)将以上数据代入公式(6)计算得到： 212 BPdhRtmc 233 0.90.45.86.70.6524.085142.89 KmW.0查阅相关资料知，橡皮在 20的条件下测定导热系数为 0.130.23W(mK)。
18、8思考题1应用稳态法如何是否可以测量良导体的导热系数?如可以，对实验样品有什么要求?实验方法与测不良导体有什么区别?2什么是镜尺法?镜尺法画切线利用了什么原理?参考资料 1贾玉润王公治 凌佩玲：大学物理实验上海：复旦大学出版社，1986：171-1732陆申龙 郭有思 热学实验上海：上海科学技术出版社 1 9 8 5：1 9 72 0 1二零零五年三月修订上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-TC-B 导热系数测定仪装箱清单：名称 数量 备注1、实验主机（内有加热器） 1 台 含单片机温度控制仪2、橡皮样品 1 块3、散热铜盘 1 块4、数字温度传感器 2 个5、导热硅脂 1 盒6、电源线 1 根7、说明书 1 份8、合格证 1 张
