实验报告
学生：李润哲     学号： 240602306      院系：车辆24-3    批阅时间： 2025-11-24 15:11

实验目的： 1、了解热传导现象的物理过程 

2、学习用稳态平板法测量材料的导热系数

3．学习用作图法求冷却速率 

4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法

仪器：

 1、YBF-5导热系数测定仪1台 2、测试样品（硅橡胶、胶木板）1组 3、塞尺1把 4、测温PT100 2根 5、测试连接线

为了测定材料的导热系数,先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出:如果热量是沿着Z方向传导，那么在Z轴上任一位置Zo处取一个垂直截面积S（如图2-5-1），以dT /dz表示在Z处的温度梯度，以表示在该处的传热速率（单位时间内dt通过截面积dS的热量)，那么传导定律可表示成:   dQ=-λ dTdz​ ds*dt 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反)。式中比例系数入即为导热系数，可见热导率的物理意义是，在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。
利用(2-5-1)式测量材料的导热系数入，需解决两个关键问题：一是在材料内建立一个
温度梯度dT/dz，并确定其数值:二是测量材料内由高温区向低温区的传热速率dQ/dt
1.温度梯度的建立
为了在样品内造成一个温度的梯度分布，且温度低度具有很好的对称性，将样品加工成平板圆形,并把它夹在两块等大的铜板之间，如图2-5-2所示，使两块铜板分别保持在恒定温度T₁和T2,就可能在垂直于品表面的方向上形成温度的梯度分布。同时保证样品厚度远远小于样品直径，即h《D。这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可忽略不计,可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向传导,即只在此方向上有温度梯度。由于铜是热的良导体，在达到平衡时，同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。所以只要测出样品的厚度hh和两块铜板的温度T、T，就可以确定样品内的温度梯度工一工。实验时需要n 铜板与样品表面的紧密接触，避免中间的空气层产生热阻，影响温度梯度测量的准确。
图2-5-2温度梯度的确定
2.传热速率的测量
传热速率是一个无法接测定的量，我们利用稳态法进行间接测量，为了维持样品内dt 稳定的温度梯度分布，必须不断地从高温铜板一侧进行加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板会将热量不断地向周围环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡状态，称之为稳态。所以低温侧铜板的散热速率与样品内的传热速率数值相同。所以只要测量出低温侧铜板在稳态温度T，下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率的确定也需要利用参量转换才能确定，我们知道，铜板的散热速率与其冷却速率（测量铜板的冷却速率可以在系统达到稳态后，移去样品，加热高温侧铜板直接对低温侧铜板加热使其的温度高于稳定温度T。（大约高出10°C左右）再让其在环境中自然冷却， 直到温度低于T，测出低温侧铜板温度在实验过程中随时间的变化关系，描绘出T一t曲线，曲线在T，处的斜率就是铜板在稳态温度T，下的冷却速率。
应该注意的是，这样得出的「是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热面积为2πR_p²+2πR_ph_p（其中R_p和h_p分别是下铜板的半径和厚度),而在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为πR）是被样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时,铜板散热速率的表达式应修正为: dQ /dT= -mc dTdt​×ΠRp2+2ΠRp×hp2ΠRp2+2ΠRp×hp​ 
由此得到了样品的传热速率。将上式代入热传导定律表达式，并考虑到dS=πR可以得到导热系数: <br class="Apple-interchange-newline"><div></div>λ =-mc× 2hp+Rp2hp+2Rp​ ×1ΠR2​×hT1−T2​×dTdt​ 
等式右侧中各项意义如前所述，均为常量或直接测量量。

 1. 用游标卡尺和天平测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，几何尺寸需测量3 次、质量测量3次，然后取平均值。其中铜板的比热容 0.385 kJ/(K*kg)  。 2. 安置硅橡胶和下铜盘时，配合塞尺调节支撑下铜板的三个固定调节螺钉，使上铜板、待测样品 以及下铜板接触良好。 3. 把测量上铜板温度的PT100的信号端与仪器面板的PT100I插座相连，探测头插在上铜板的小 孔中（确保孔中有导热硅脂使导热良好）；把测量下铜板温度的PT100的信号端与仪器面板的 PT100 II 插座相连，探测头插在下铜板的小孔中（确保孔中有导热硅脂使导热良好）。 4. 采用自动控温进行稳态法的测量，温度稳定约需40分钟左右，时间长短随被测材料、测量温 度及环境温度等有所不同，待上铜板温度T1稳定后（波动小于0.1℃），观察下铜盘的直到下 铜板温度变化情况，每隔30秒记录两块铜板的温度，待下铜板读数T2也相对稳定（10分钟内 波动小于0.1℃）时，即可认为达到稳定状态，记录此时两块铜板的温度。 5. 测量下铜盘在稳态值T2附近的散热速率。先移去样品，通过上铜板继续对下铜板加热。当下 铜盘温度比T2高出10℃左右时，移开上铜板，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板 自然冷却。每隔30秒记录的温度示值，直至温度下降到T2以下一定值。 6. 作铜板的T—t冷却速率曲线，选取邻近T2 的测量数据来求出冷却速率。 7. 根据公式（2-5-4）计算硅橡胶的导热系数

- 热平衡与稳定传热状态：当实验系统达到稳定传热状态时，样品传递给铜板的热量速率，与铜板向周围环境散发的热量速率是相等的。也就是说，样品传递过来的热量，能够及时通过铜板散发出去，此时铜板的散热速率就可以反映样品的传热速率。
- 铜板的特性：铜板通常具有良好的导热性能，能快速地将从样品传来的热量分散并传递到其表面，进而散发到周围环境中。而且，在实验设计中，往往会让铜板的温度分布等情况处于相对稳定或可近似处理的状态，使得其散热过程能够较好地与样品的传热过程相匹配，从而可以用铜板的散热速率来表征样品的传热速率。

一、铜板冷却速率的定义
 
铜板的冷却速率是指单位时间内铜板温度的降低量，通常用来dTdt​ 表示（其中 dT是温度变化量，dt是时间变化量）。
 
二、与散热速率的关系
 
散热速率是指单位时间内铜板散失的热量。根据热学中的相关关系，由牛顿冷却定律等可知，在一定条件下（如环境温度等因素相对稳定），铜板的冷却速率和散热速率是成正比的关系。因为热量的散失会导致温度降低，散失热量的速率越快，单位时间内温度降低得也就越快，即冷却速率越快。