一、概述
導熱系數(熱導率)是反映材料導熱性能的物理量，它不是評價材料的重要依據，而且是應用材料時的一個設計參數，在加熱器、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計等工程實踐中都要涉及這個參數。因為材料的熱導率不隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響熱導率的數值，所以在科學實驗和工程技術中對材料的熱導率常用實驗的方法測定。
測量熱導率的方法大體上可分為穩態法和動態法兩類。本測試儀采用穩態法測量不同材料的導熱系數，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質的導熱系數是熱學實驗中的一個重要內容。
本測試儀由加熱器、數字電壓表、計時秒表組成（采用一體化設計）
二、主要技術指標
1、電源：AC(220&plun;10%)V ，(50/60)Hz
2、數字電壓表：3位半顯示，量程0~20mV，測量：0.1%+2個字
3、數字計時秒表:5位記時表，小分辨率0.01S；：10-5
4、測量溫度范圍：室溫~120℃
5、加熱電壓：高端：AC36V 低端：AC25V
6、散熱銅板：半徑：65mm 厚度：7mm質量：815g
（以上的參數已在每一塊銅板上標注）
7、測試材料：硬鋁、硅橡膠、膠木板、空氣等
8、連續工作時間：>8小時
三、儀器的面板圖
上面板圖
下面板圖
四、溫度控制器的使用說明
（見操作說明）
五、儀器維護與保養
1、使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以接觸良好。注意，樣品不能連續做試驗，是硅橡膠須降至室溫半小時以上才能下試驗。
2、在實驗過程中，如若移開電熱板，就先關閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉動，以免燙傷手。
3、實驗結束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，影響實驗。數字電壓表數字出現不穩定時先查熱電偶及各個環節的接觸是否良好。
4、儀器在搬運及放置時，應避免強烈振動和受到撞擊。
5、儀器長時間不使用時，請套上塑料袋，潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內空氣濕度應小于80%。
6、儀器使用時,應避免周圍有強烈磁場源的地方。
7、長期放置不用后再次使用時，請先加電預熱30min后使用。
導熱系數的測量
導熱系數(熱導率)是反映材料熱性能的物理量，導熱是熱交換三種（導熱、對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、等各個研究領域的課題之一，要認識導熱的本質和特征，需了解粒子物理而目前對導熱機理的理解大多數來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很上取決于它的微觀結構，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。因此，材料的導熱系數不與構成材料的物質種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質含量相聯系。在科學實驗和工程設計中所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學參數手冊或教科書的數據和圖表中查尋）
1882年法國科學家J•傅里葉奠定了熱傳導理論，目前各種測量導熱系數的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律基礎，從測量方法來說，可分為兩大類：穩態法和動態法，本實驗采用的是穩態平板法測量材料的導熱系數。
【實驗目的】
1、了解熱傳導現象的物理過程
2、學習用穩態平板法測量材料的導熱系數
3．學習用作圖法求冷卻速率
4、掌握一種用熱電轉換方式進行溫度測量的方法
【實驗儀器】
1、YBF-2導熱系數測試儀 一臺
2、保溫杯 一只
3、測試樣品（硬鋁、硅橡膠、膠木板） 一組
4、塞尺 一把
【實驗原理】
為了測定材料的導熱系數，先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，那么在Z軸上任一位置Z0處取一個垂直截面積dS（如圖1）以 表示在Z處的溫度梯度，以 表示在該處的傳熱速率（單位時間內通過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成：
(S1-1)
式中的負號表示熱量從高溫區向低溫區傳導（即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數λ即為導熱系數,可見熱導率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內垂直通過單位面積截面的熱量。
利用（S1-1）式測量材料的導熱系數λ，需解決的關鍵問題兩個：一個是在材料內造成一個溫度梯度 ，并確定其數值；另一個是測量材料內由高溫區向低溫區的傳熱速率 。
1、關于溫度梯度
圖（2） |
（圖1） |
為了在樣品內造成一個溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導體——銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h≤D（樣品直徑）。這樣，由于樣品側面積比平板面積小得多，由側面散去的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導體，在平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅
板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內的溫度梯度度 。當然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸（無縫隙），否則中間的空氣層將產生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。
為了樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。
2、關于傳熱速率
單位時間內通過一截面積的熱量 是一個無法直接測定的量，我們設法將這個量轉化為較為容易測量的量，為了維持一個恒定的溫度梯度分布，須不斷地給高溫側銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側銅塊，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統就一個動態平衡狀態，稱之為穩態。此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側銅板在穩態溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進一步作參量轉換，我們已經知道，銅板的散熱速率與其冷卻速率（溫度變化
率 ）有關，其表達式為：
（S1-2）
式中m為銅板的質量，c為銅板的比熱容，負號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質量容易直接測量，c為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量：在穩態后，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高于穩定溫度T2（大約高出10℃左右）再讓其在環境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測出溫度在大于T2到小于T2區間中間的變化關系，描繪出T—t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩態溫度時T2下的冷卻速率。
應該注意的是，這樣得出的 是在銅板表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2πRP2+2πRPhP(其中RP和hP分別是下銅板的半徑和厚度)然而在實驗中穩態傳熱時，銅板的上表面（面積為πRP2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩態時，銅板散熱速率的表達式應修正為：
(S1-3)
根據前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。
將上式代入熱傳導定律表達式，并考慮到ds=πR2可以得到導熱系數：
（S1-4）
式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、c為銅塊的比熱容、RP和hP分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。
【實驗步驟】
1、用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和質量等要的物理量，多次測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385kJ/(K.kg)。
2、安置被測材料和下銅盤時，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶同一側。熱電偶銅盤上的小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。
穩態法測量時，一般采用自動控溫，這時控制方式開關打到“自動”，手動控制開關打到中間位置。溫度穩定約要40分鐘左右，具體時間與被測材料和目標溫度及環境溫度的不同而不同。手動測量時，為縮短時間，可先將“手動控制”開關打在，時間后，毫伏表讀數接近目標溫度對應的熱電偶讀數，即可將開關撥至低檔，通過調節手動開關的、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在&plun;0.03mV范圍內。
待上銅盤的溫度穩定后，觀察下銅盤的溫度變化情況，每隔30秒記錄上、下圓盤A和P對應的毫伏讀數，待下圓盤的毫伏讀數在3分鐘內變化一個字以內，即可認為已穩定狀態,記下此時的VT1和VT2值。
3、記錄穩態時T1、T2值后，移去樣品，繼續對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時，移去圓筒，讓下銅盤表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下值。作銅板的T—t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。
4、根據（S1-4）計算樣品的導熱系數λ。
5、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100℃時，其溫差電動勢約4.27mV，故應配用量程0～20mV,并能讀到0.01mV的數字電壓表（數字電壓表前端采用自穩放大器，故無須調）。由于熱電偶冷端溫度為0℃,對材料的熱電偶而言，當溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（0℃）的比值是一個常數。由此,在用（S1-4）計算時,可以直接以電動勢值代表溫度值。
