导热系数实验报告

2024-04-30

导热系数实验报告（精选6篇）

篇1：导热系数实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：

大学物理实验实验名称：

金属导热系数的测量学院：

信息工程学院专业班级：

自动化 153 班学生姓名：

廖俊智学号：

6101215073 实验地点：

基础实验大楼座位号：号实验时间：

第七周星期四上午九点四十五开始、实验目的: 用稳态法测定金属良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。、实验原理：、傅里叶热传导方程导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。

温度为 T 2，T i T 2，热量从上端流向下端。若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时虽然各个截面的温度不等，但相同的时间内流过各截面的热量必然相等（设侧面无热量散失），这时热传递达到动态平衡，整个导体呈热稳定状态。法国数学家，物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方

如图二所示，将待测样品夹在加热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，加测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中 // 都有非常重要的应用。

图（一）

如图（一）所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为 S，高为 h。经加热后，上端温度为 T 1，下端 Q 是 t 时间内流过导体截面的热量, S T 1 T 2 h(1)学叫传热速率。比例系数就是材料的导热系数（热导率），）。在此式中，S、h 和 T 1、T 2 容易测得，关键是如何测得传热速率Q。、用稳态法间接测量传热速率 T i T 2 热盘的传热速率为Q S

h 2 T 1 T 2 d 2(T 1 T 2)4h 单位是

如图三所示，把两种不同的金属丝彼此熔接，组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度下，则会产生温差电动势，回路中有电流。如果将回路断开（不在接点处），虽无电流，但在断开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温差电动势与两接点间的温度差成正比，（T T。），T o 为冷端温度，T 为热端温度，叫温差电系数。

在本实验中，使用两对相同的铜一康铜热电偶，相同，它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻璃管中，T o 也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时，可得样品上下表面的温度分别为：

T i 1

T o，T 2 2

T o，所以

（6）式就是本实验所依据的公式。

d 和 h 分别为样品的直径和厚度，C 和 m 分别为散热铜盘的比热和质量，i 和 2 分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势

这样，式（5）可以写为 0.555 4Cmh d 2(1 2)g

t|(6)（由数字电压表读出）

为散热盘在 2 时的冷却速率

三、实验仪器：

导热系数测定仪（TC — 3）、杜瓦瓶四、实验内谷和步骤：

（1）先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端（见下图），并在金属圆筒两端涂上导热硅胶, 然后置于加热盘 A 和散热盘 P 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。

（2）

在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆筒侧面上、下的小孔中，并分别将热电偶的的接线连接到导热系数测定仪的传感器 I、II 上。

（3）

接通电源，将加热开关置于高档，当传感器 I 的温度 T i 约为 3.5mV 时，再将加热开关置于低挡，约 40min。

（4）

待达到稳态时（T i 与 T 2 的数值在 10min 内的变化小于 0.03mV），每隔 2min 记录 T i 和 T 2的值。0 0 Ji“ i J 测 1 表 o Q1 J O G 2 导蟻嚴数丹測 1

孟 g JI-■■

（5）

测量散热盘 P 在稳态值 T2 附近的散热速率，移开加热盘 A ,先将两测温热端取下，再将 T2 的测温热端插入散热盘 P 的侧面小孔，取下金属圆筒，并使加热盘 A 与散热盘 P 直接接触，当散热盘 P 的温度上升到高于稳态 T 2 的值约 0.2mV 左右时，再将加热盘 A 移开，让散热盘 P 自然冷却，每隔 30s 记录此时的 T 2 值。

（6）记录金属圆筒的直径和厚度、散热盘 P 的直径、厚度、质量。

五、实验数据与处理：

C 铜 =0.09197cal cm 1

s-1

C)1cal=418.68W/mK 散热盘 p ：

m=810g R p =6.385cm h p

=0.71cm 金属铝圆筒：R B =1.95/cm h B

=9.0/cm 表 1 稳态时 T 1 T 2 的数据：

序次 1 2 3 4 5平均 T 1 /mV 1 2.73 2.73 2.73 2.71 2.71 2.722 T 2 /mV 2.52 2.53 2.54 2.53 2.54 2.532 稳态时 T 3 对应的热电势数据 U 3 2.46mV 表 2 散热速率：

=0.0729 mV/s

时间 /s 30 60 90 120 150 180 210 240 T 2 /mV 2.67 P 2.58 P 2.51 「 2.43 2.35 2.28 2.22 : 2.16 mc T(RPh B)h B ? 1 2 t(2 R Ph P)(「 T 2)

R B 810 0.09197 0.0729

--------------(6.385 2

9.°)9.0------------------

--------1 _2

0.316cal cm 1

s 1

C 1

(2 6.385 2 0.71)(2.722-2.532)〔 95 132.30W/mK 铝的热导率的理论值为 2.0 x 10 2

(J • s-1

• m 1

• K 1)六、误差分析：、实验中铝并不是纯铝，存在杂质，而纯度及杂质未知。、树脂圆环与加热盘和散热盘不能紧密接触。、在实验过程中发现，热电偶的两端在插入时深浅对实验有一定的影响，过程中无法保持在同一深度，故测量的数据可能存在偏差。、试验过程中，杜瓦瓶中不是冰水混合物对实验有一定的影响七、思考题：

1.在测量散热盘 P 的散热速率 T 时，为什么要测在稳态值 T3 附近的T

？ t t 答：在稳态时，散热速率铝棒和铜盘的相等，测得铜盘的即可得出铝棒的散热速率。

八、附上原始数据

篇2：导热系数实验报告

一、实验目的

1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。

2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。

3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。

4、学习用温差热电偶测量温度的方法。

5、学习热工仪表的使用方法

二、实验原理

平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。

三、实验设备

实验设备如图2所示。

图2平板式稳态法导热仪的总体结构图

1.调压器2.铜板3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片

6.下均热片7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统 10.温度仪表 11.试样装置 12.循环水箱电位器 13.保温材料 14.电位器

键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。

数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。“RST”复位键：复位数据，重新选择。

控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。

四、实验内容

1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器)，并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。

2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。

3、对实验结果进行分析与讨论。

4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。

5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。

五、实验步骤

1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。

2、测量加热板的内部电阻。

3、校准热工温度仪表。

4、向水箱内注入冷却水。

5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。

6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。

7、通过数据键输入试样面积、厚度等相关参数，由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数。

8、改变电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率件，重复步骤(5至7)测量并记录多个温度下的材料导热系数。

9、关掉电源。

六、实验要求

1、采用精度不低于0.05 mm的厚度测量工具(游标卡尺)，沿试样四周测量四处的厚度，取其算术平均值，作为实验前试样厚度。

2、用酒精将试件及均热片擦洗干净并晾干，晾干后在其上均匀涂抹导热油。

3、用调压器将电压调至一定值，保持不变，经一段时间后，待跟试件上下表面接触的铜片各点温度为一定值时，即导热过程达到稳定后记录各点温度及电热器的电压。

4、改变电加热器的电压(调节调压器)，即改变电热器热量使之维持在另一个数值上，跟试件上下表面接触的铜片各点温度达到新的稳定状态后，重复第3项的测量。

5、用最小二乘法计算不同橡胶材料的导热系数随温度变化的关系式。

五、实验报告要求

1、材料温度可取材料上下表面温度的平均值，即，其中：Tw1为试样材料下表面温度，Tw2为试样上表面温度。

2、实验报告需用专用的实验报告用纸进行书写；

3、实验报告中必须包含实验目的和实验步骤；

4、实验报告中必须包括实验数据的记录；

5、实验报告中必须包括实验数据处理的具体步骤，并有材料的导热系数随温度变化的关系式及关系曲线图；

篇3：导热系数实验报告

关键词：线圈,导热系数,数值模拟

1 前言

线圈径向导热系数的测定,对于研究线圈的浇注、固化等过程有着重要的指导作用。基于稳态传热法基本原理[1],采用自设实验装置对模拟线圈径向导热系数进行了测定,获得了线圈内外壁和内部盛水的温度分布情况,按照热力学平衡方程推导线圈的导热系数。为了模拟和多次重复实验过程,采用国际著名的三维计算流体动力学软件FLOW-3D建立了全尺寸线圈基于控制体积的有限差分计算模型[2,3],考虑导热、对流和辐射三种传热方式以及密度扩散方程,计算了导热系数分别为λ=0.25W/(m·K)、λ=0.3W/(m·K)、λ=0.35W/(m·K)和λ=0.4W/(m·K)四种工况,与实验测得的模拟线圈内外壁温度分布进行对比,结果表明λ=0.3W/(m·K)这种工况更接近改进的实验结果。

2 实验测试

2.1 实验备件

准260mm×365mm模拟线圈(不含导线,见图1),加热棒,固态继电器,热电偶,测温仪,笔记本电脑,电度表,空气开关,隔热塑料桶等。

2.2 实验步骤

(1)用玻璃胶将脱模纸平整地粘贴在薄木板上,然后将线圈底部与粘有脱模纸的薄木板密封,以防桶内盛装的水泄露。

(2)在线圈同一环面内外壁相对应的位置粘贴热电偶,具体方案如图2所示。

(3)将60℃的温水倒入线圈中,盖上密封盖,防止热量从顶部散失。同时开启测温仪,每隔10s采集一次扫描点的温度。

(4)图2中的外表面测温点:A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3、B4和C1、C2、C3、C4,对应的内表面测温点:D1、D2、D3、D4和E1、E2、E3、E4和F1、F2、F3、F4。

2.3 实验结果及分析

图3出示了同一环面外表面B1、B2、B3、B4和内部水温的实验测试曲线,图4出示了同一环面内表面E1、E2、E3、E4和内部水温的实验测试曲线,图5出示了线圈内水温在不同区域的分布和变化情况,图6出示了外表面B3和内表面E3的实验曲线。

图3可以看出,实验开始持续4000s,线圈外表面处于瞬态传热过程,温度在升高,随后达到稳态,温度缓慢下降并与水温下降保持同步,窗口凸台B4处温度较其它部位温度偏低,主要是由于凸台处较厚,热量传导慢所致。

从图4可以看出,内表面温度与水温有一定差别,主要是由于两种不同介质在界面存在热阻导致。

从图5可看出,上部水温比底部水温偏高约6℃,这主要是由于水的对流扩散引起,即水的温度越高,密度越小,因此线圈内水的温度从底部到顶部逐渐升高,存在明显的温度分层现象。

图6显示了线圈同一高度内外表面温度变化情况,实验开始持续4000s,线圈传热属瞬态过程,随后则达到了稳态(系统处于热平衡状态)。

径向导热系数λ的计算,从图6取4000s到6000s为一个稳态传热单元,线圈内表面E3点在4000s时的温度是55.5℃,在6000s时的温度是54.5℃,温度差△t=1℃,而线圈外表面B3点的温度是41℃。可近似认为E3点在4000s到6000s之间水所损耗的热量约等于线圈从E3到B3传导热量。其中线圈内径d1=210mm,线圈外径d2=260mm,高度h=365mm,t1=54.5℃,t2=41℃,水密度ρ=1.0×1.03kg/m3,水比热c=4.2×103kJ/(kg·K),一个稳态传热单元的时间t=2000s。

水损耗的热量:

线圈传导的热量:

同理,以6000s到8000s为一个稳态传热单元,λ=0.26W/(m·K);以8000s到10000s为一个稳态传热单元,λ=0.28W/(m·K);以10000s到12000s为一个稳态传热单元,λ=0.31W/(m·K)。

实验误差主要来自忽略了线圈外表面辐射换热和环境的对流换热,由于实验中使用了隔热塑料桶,保证线圈周围环境温度均匀且稳定,因此由线圈与环境的对流换热引起的误差很小。另外,水温的不均匀性也是导致误差的主要原因之一,为此改进了实验方法,重新进行了测试。

2.4 改进的实验

为了避免线圈内部水温分层现象,在前面实验将水倒入线圈中,同时加入少量食盐,利用重力使盐的浓度上低下高,因而比重也是上低下高,由此可以抑制因顶部散热而导致的内部上下环流,使温度趋于一致并更接近模型的假设。其它步骤完全相同。

图7出示了同一环面外表面A1、A2、A3、A4和内部水温的实验测试曲线,图8给出了同一环面内表面D1、D2、D3、D4和内部水温的实验测试曲线,图9给出了同一环面外表面A1和内表面D1的实验曲线。

根据图9推算导热系数λ,取5000s到10000s为一个稳态传热单元,线圈内表面D1点在5000s时的温度是52.8℃,在10000s时的温度是49.5℃,温度差△t=3.3℃,而线圈外表面A1点的温度是38.2℃。可近似认为D1点在5000s到10000s之间水所损耗的热量约等于A1点导热所消耗的热量,计算过程同上。

以5000s到10000s为一个稳态传热单元得出:λ=0.31W/(m·K);以10000s到15000s为一个稳态传热单元,λ=0.33W/(m·K);以15000s到20000s为一个稳态传热单元,λ=0.28W/(m·K)。

实验误差主要来自忽略了模拟线圈外表面辐射换热和环境的对流换热,由于实验环境温度基本保持恒定,因此这部分的误差很小,实验结果可靠。

3 模拟线圈导热系数的数值分析

3.1 CFD模型建立

采用Solidwork软件建立试验线圈的三维几何模型[4],如图1所示。采用FAVOR技术对其进行网格剖分,形成流体区域和固体区域,如图10所示。按照试验要求在线圈内部盛满初始温度为60℃的温水。选择传导、对流和辐射换热模型,牛顿流体、密度依赖温度变化模型。线圈初始温度设为27℃,线圈和水的热物性参数见表1。

分别对λ=0.25W/(m·K)、λ=0.3W/(m·K)、λ=0.35W(m·K)和λ=0.4W/(m·K)四种工况进行了模拟,获得线圈和水内部温度分布情况以及导热系数对其温度分布的影响。

3.2 计算模型的验证

为了以实验验证λ=0.31W/(m·K)线圈CFD模型的正确性,图11给出了同一环面外表面和水温度模拟曲线,与图7相比,无论趋势还是具体数值基本吻合。图12给出了同一环面内表面温度模拟曲线,与图8相比,无论趋势还是具体数值基本吻合。图13出示了同一环面内外表面温度模拟曲线,与图9相比,无论趋势还是具体数值基本吻合。图14给出了内部水温分布模拟结果,也存在温度分层现象。对比结果表明,线圈模拟实验的计算模型合理,结果可靠。

4 结论

通过线圈导热系数测定实验和数值模拟,得到以下结论:(1)模拟线圈(不含导线)的导热系数约为0.3W/(m·K)。(2)水中加入少量食盐可改善线圈内盛水的温度分布,有效地减弱了水温分层现象。

参考文献

[1]戴锅生.传热学(第2版)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]曾攀.有限元方法(第5版)[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]庄茁,岑松.有限元方法(第5版)[M].北京:清华大学出版社,2006.

篇4：材料导热系数实验教学研究

【摘要】导热系数是描述材料热传导性最为重要的热物性参数，应用特别广泛，但是热传导原理较为抽象，难于将理论应用于实践。材料导热系数实验教学涵盖了热传导原理、实验操作、结果分析，初步探讨了以激光闪射法为主的实验教学方法，将理论应用于实践，培养学生的动手能力，为以后工作测试及科学研究服务。

【关键词】导热系数实验教学

【课题项目】内蒙古大型科学仪器开放共享试点建设。

【中图分类号】N45 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2016）35-0207-01

导热系数与热扩散系数是描述材料热传导性最为重要的热物性参数，其广泛的应用于建筑材料、陶瓷材料、金属材料、复合材料、涂层材料、保温材料、高分子材料等多个领域。如：肖建庄等通过测量混凝土导热系数考察了包括骨料体积分数、水灰比、骨料类型、外掺料掺量、温度等因素对混凝土导热系数的影响[1];吕兆华针对泡沫型多孔介质导热系数进行了理论计算和实验测试一致性研究，结果表明热辐射在多孔介质传热中有重要作用[2];孟春玲等提出了一种米饭导热系数的测量方法，为自热食品的后续研究提供基础和理论依据[3]。

导热系数测定实验是无机非金属材料专业的基础实验，目前实验还不完善。导热系数的测试方法有很多种，结合教学资源，采用激光闪射法测导热系数作为实验教学课程。激光闪射法（LFA）是一种快速灵活的测量方法，近年来发展十分迅速，不仅能精确地直接测量热扩散系数，也可通过比热的测量或输入进一步计算得到导热系数。通过本实验教学不仅可以让学生将热传导理论应用于实践，还可以了解激光导热仪（LFA）的测量原理及操作技术，为以后工作测试及科学研究服务。

一、导热系数测定的实验教学

1.实验目的

（1）通过讲解让学生了解材料热传导的原理、分类、测试方法及导热系数在实践中的应用。

（2）通过现场实验演示，让学生了解激光导热仪的工作原理，及简单的实验操作步骤及注意事项。

（3）通过举例分析，让学生理解材料热扩散系数、比热及密度（膨胀量）之间的关系，学会数据处理及结果分析。

2.实验原理及设备

材料的导热性能测试方法很多，大体可分为稳态法与瞬态法。稳态法测量材料的温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法测量的温度范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试。激光闪射法（LFA）属于瞬态法，应用特别广泛，包括陶瓷、玻璃、金属、熔融物、液体、粉末、纤维与多层材料等各种材料，从低导热材料直至最高导热系数的金刚石，都可在相同的速度与精度下进行测量。

本实验教学设备是德国耐弛额激光导热仪 LFA 427，可测量基片上金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，如热扩散系数、热导率、吸热系数和界面热阻等。测量的温度范围为RT（室温）-1650 ℃;升降温速率为0.01-50 ℃/min;激光能量为25 J/pulse;樣品直径为12.3-12.7 mm;样品厚度为0.1-4 mm。

激光导热仪的工作原理如下：在炉体控制的一定温度下，由激光源发射光脉冲均匀照射在样品下表面，使试样均匀加热，通过红外检测器连续测量样品正面的温度随时间变化，得到温度（检测器信号）升高和时间的关系曲线（图1）。

图1 激光导热仪原理与激光信号图

热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热，不存在横向热流，且外部测量环境为理想的绝热条件，则通过半升温时间t1/2[在接收光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需要的时间]，由修正公式1直接得出样品的热扩散系数。

？琢=0.1388× 公式1

式中：？琢为热扩散系数，mm2/s;d为材料的厚度。

在已知温度下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到导热系数。密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用线膨胀系数表进行修正;比热可使用文献值、可使用 DSC 等方法测量，也可在 LFA 中使用比较法与热扩散系数同时测得。如公式2所示：

？姿=？琢×？籽×Cp 公式2

式中：？姿为导热系数，W/（m·K）;Cp 为比热，J/（g·K）;？籽为密度，g/cm3。

3.操作步骤

（1）试样的准备：

a.样品要求：直径为6mm，厚度为2-4mm的圆柱体。

b.多次测量样品的厚度，取平均值。

c.对于高反射或透明样品，需在样品两个表面喷碳和喷金。

（2）测试步骤

a.在红外检测器内注入液氮，30分钟后检测器稳定。

b.打开测量电源，打开路子加热单元电源，打开恒温水浴（设定温度比室温高2-3度），打开激光电源单元。

c.开机后调节吹扫气输出压力及等待流速稳定。

d.打开炉子，装样，关闭炉子。

e.抽真空后，充入保护气体，反复三次。

f.打开计算机测量软件，设定测量参数，开始测量。

4.结果分析

实验样品为氧化钇陶瓷材料，升温速率为10℃/min，温度点取200℃、400℃、600℃、800℃;每个温度点取3个值。测试结果为陶瓷材料的热扩散系数，为了得到材料的导热系数还需进行比热测试。比热测试也可采用激光导热仪进行测试，参比样品为石墨样品，测试条件与陶瓷材料一致，通过对比石墨样品比热数据库导出测试样品比热。材料密度可根据热膨胀实验进行修正。最后根据热扩散系数、比热及膨胀量推算出材料的导热系数。

以陶瓷导热系数实验为例，让学生了材料热传导过程，明确解激光电压、脉冲宽度、放大增益、采样时间、半升温时间、材料热扩散系数、比热、膨胀量、导热系数的概念及相互关系;理解整个实验流程、关键环节及注意事项，学会如何用热传导原理分析实验结果，为今后的工作测试、科研研究服务。

二、实验教学效果

材料的导热系数测定实验教学涉及热传导、激光闪射法的原理、激光导热仪的实践操作及结果分析，将热传导理论应用于实例，使理论不再抽象，不仅培养了学生的动手能力，还可以为以后的工作测试、科学研究提供测试手段和理论支撑。

参考文献：

[1]肖建庄，宋志文，张枫.混凝土导热系数试验与分析[J].建筑材料学报.2010（02）：17-21.

[2]吕兆华.泡沫型多孔介质等效导热系数的计算[J].南京理工大学学报.2001 （118）：257 -261.