热导系数的测量.pdf

实验简介

导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量。热传导是热交换

的三种（热传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体

物理及能源、环保等各个研究领域的课题。材料的导热机理在很大程度上取决于

它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的

迁移。在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起

主导作用。因此，某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而

且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中，

所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。

本实验的目的是了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导

体的导热系数并用作图法求冷却速率。

实验原理

导热系数

1882年法国科学家傅里叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前

各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础之

上的。测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采

用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。当物体内部有温度

梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象臂称为

热传导，傅里叶指出，在dt时间内通过ds面积的热量dQ，正比

于物体内的温度梯度，其比例系数时导热系数，即：

（1）

式中为传热速率，是与面积相垂直的方向上的温度梯度，“－”

号表示热量由高温区域传向低温区域，是导热系数，表示物体导热能

力的大小。在S1中的单位是。对于各向异性材料，各个

方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

不良导体导热系数的测量：图1.2.2-1是不良导体导热系数测量装

置的原理图。

设样品为一平板，则维持上下平面由稳定的和（侧面近似绝热）,

即稳态时通过样品的传热速率为

（2）

式中为样品厚度，为样品上表面的面积，（）上下平

面温度差，为导热系数。在实验中，要降低侧面散热的影响，就需要

减小h。因为待测平板上下平面的温度和是用传热筒C的底部和散

热铜盘A的温度来代表，所以就必须保证样品与圆筒C的底部和铜盘A

的上表面密切接触。实验时，在稳定导热的条件下（和值恒定不变），

可以认为通过待测样品盘B的传热率与铜盘A向周围环境散热的速率相

等。因此可以通过A盘在稳定温度附近的散热速率，求出样品的传

热速率。对于铜盘A，在稳态传热时，其散热的外表面积为

,移去传热筒C后，A盘的散热外表面积为

，考虑到物体的散热速率与它的散热面积

成比例，所以有

（3）

式中和分别为A盘的半径和高度。

根据热容的定义，对温度均匀的物体，有其中

（4）

对应铜盘A，就有。和分别为A盘的质量和比

热容，将此式代入（3）中，有

（5）

比较式（5）和（2），便得出导热系数的公式：

（6）

、、、、和都可由实验测量出准确值，为已知的常数，