裘娅楠，袁　佳，赖莉飞

(宁波工程学院，浙江 宁波　315016)



*通讯联系人

测不良导体导热系数实验的改进

裘娅楠，袁佳，赖莉飞*

(宁波工程学院，浙江 宁波315016)

摘 要：不良导体导热系数的测量是大学物理实验热学部分一个非常重要的实验。目前该实验在实现手段上还存在一些不足，主要为实验装置的缺陷，本文针对实验装置的缺陷进行分析，并对实验装置进行重新设计。

关键词：不良导体；导热系数；实验装置；重新设计

不良导体材料是生产生活中应用广泛的保温隔热材料，而导热系数是衡量不良导体导热性能的重要物理量。材料的导热系数测量不仅对工程实践有重要作用，而且对新材料的研制和开发也作用巨大，因此，在《大学物理实验》课程中开设“不良导体导热系数测量”实验，让学生尝试导热系数的测量、认识热传导的基本原理和规律有重要意义。

1实验不足分析

目前，在《大学物理实验》中通常采用稳态法测不良导体的导热系数，但该实验从实验原理到物理量的测量等诸多环节还存在一些问题，主要有以下三点：

(1)实验原理的缺陷

传统实验装置如图 1所示，由发热铜盘、样品盘和散热铜盘由上到下紧密叠放而成。通过发热铜盘给样品盘传热，当系统传热达到平衡后，近似认为样品盘的传热速率等于散热盘的散热速率，依据傅里叶热传导定律可得出：

(1)

式中ΔQ/Δt为传热速率，λ为样品的导热系数，hB为样品的厚度， S为样品的表面面积，dB为样品盘的直径，θ1和θ2分别是热平衡时样品盘上表面和下表面的温度。根据热量计算公式可知散热盘的散热速率，其中，c和m分别为散热盘的比热容及质量。

图1　传统不良导体导热系数测量原理图

(2)

由(1)(2)两式得

(3)

斯坦伯格研究表明[1]：由于热平板上下表面冷空气的运动形式不同，导致上表面的散热系数约为下表面散热系数的2倍，因此散热盘上下表面的散热速率并不相等。原实验为了减少散热盘上下表面散热系数的差别，采用电风扇在散热盘底部做强对流，但这样处理仍有不足，因为自然对流与强迫对流是两种不同的散热方式，两者的散热速率可分别用公式(4)和(5)表示[2,3]

(4)

(5)

式中K、K′为系统冷却散热系数，T为系统温度，T0为系统周围环境温度。可见，电风扇并不一定能完全消除散热盘上下表面散热系数的差异，另外强迫对流还可能造成散热环境的不稳定，因此直接用公式(2)计算散热速率是不准确的。

(2)实验时间布局不合理

传统实验大体分三个阶段，即两次升温和一次降温。第一次升温是实验的核心部分，其目的是为了测试系统达到热平衡时样品上下表面温度θ1和θ2，这部分等待时间过长，有时两节课都完不成。

(3)数据处理复杂，影响测量精确性

2实验改进

2.1实验装置的重新设计

为了避免散热盘上下表面散热不均，将实验装置由竖式布局(图1)改成侧立式(图2)，实验装置主要包括控温及数据采集综合面板、电加热片、薄铜板、半导体制冷片、隔热圆柱桶、散热器、待测样品、导轨架、控温传感器和温度传感器。控温及数据采集综合面板分两部分，左侧为控温面板，含两个电源插孔，可插电加热片和散热器电源引线，其上窗口可显示输出功率，另含两个控温传感器插孔，可插热端控温传感器或冷端控温传感器。右侧的数据采集面板含两个温度传感器插孔，能实时采集热端和冷端温度，并能显示温度随时间变化的关系曲线。电加热片上有两个插孔，可插电源引线和控温传感器。薄铜板上留有小孔，可插温度传感器。半导体制冷片上有插孔，可插控温传感器。隔热圆柱桶由上下两部分铰接配合，上半部分可揭开，内部做有固定槽；隔热圆柱桶下半部分三分之一处轴向设置有滑槽，便于被插器件固定和滑行。散热器上侧有插孔可插入电源引线，散热器内侧与半导体制冷片相连，其外侧安有一个较大的锁紧阀，以增加系统的整体紧密性和稳定性。另外为了增加设备灵活性，整个装置下端固定在导轨架上。

图2　不良导体导热系数测量新装置结构示意图

2.2实验的实施

第二种方式，实验相对简单，只要完成第一种方式的第一步测试，就可求出样品的导热系数。其实验原理依然采用傅里叶热传导定律，即根据公式(1)直接求出样品导热系数

(6)

(7)

2.3新装置的优势

改进后的实验装置弥补了传统实验装置的缺陷，并实现两种途径对材料导热系数的测量，丰富了实验内容。另外，把数据采集器系统引入实验测试系统中，可实时观察实验数据的变化，避免人为读数带来的误差以及手工处理数据的冗杂。通过该实验还可引发出许多值得同学们思考的问题，比如可以比较两种实验方式的伯仲，找出原因，从而对不良导体传热规律有更深理解。

3结论

针对“不良导体导热系数测量”实验存在的缺陷，本文对实验装置进行重新设计，变传统竖式结构为侧立式结构，减少散热不均带来的误差；同一装置实现两种方式测样品导热系数，丰富实验内容；在数据处理方面引入数据采集器系统，实现实时的数据采集。应用本装置测量导热系数，数据更准确、更快捷。

参考文献：

[1]美斯坦伯格,D.S.著,傅军译.电子设备冷却技术[M].北京:航空工业出版社,1989.

[2]江石寿,赵改清,王喜省,等.立式不良导体导热系数测量装置的仪器缺陷分析及改进[J].大学物理实验,2012,25(6):22- 24.

[3]郭秋娥.不良导体导热系数测定实验中仪表风扇对实验结果的影响[J].大学物理实验,2006,19(3):21- 25.

[4]赖莉飞,王笑君,数据采集器在大学物理设计性实验中应用的探讨[J].物理实验，2009,29(8):36- 39.

[5]易志俊，陈伟，李娜，等.基于DISLab温度传感器的导热系数测定[J].大学物理实验，2014(4)：94-96.

The Improvement of Experimental Device for Measurement of Thermal Coefficient of Bad-Conductors

QIU Ya-nan,YUAN Jia,LAI Li-fei*

(NingBo University of Technology,Zhejiang Ningbo 315016)

Abstract：The measurement of the thermal coefficient of bad- conductors is a very important experiment in the thermal part of the college physics experiment.At present,there are still some problems in the approaches of the experiment,which is mainly in the experimental apparatus.The defects of device are focused on,and the experimental device is redesigned.

Key words：bad-onductors；thermal conductivity；experimental device；redesign

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.013

文章编号：1007-2934(2016)01-0048-03

基金项目：2015年度浙江省大学生科技创新活动计划(2015R424016)；宁波市自然科学基金(2014A610153)

收稿日期：2015-10-05