导热系数实验操作方法及注意事项讨论

吉晓瑞

(沈阳工程学院 基础教学部，辽宁 沈阳 110136)

当物体内部各处温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传向较低处，这种现象称作热传导，热传导也叫导热。测量导热系数的方法，大体分为稳态法和瞬态法两大类[1,2]，在高校实验室稳态平板法应用得较多，因为比较方便教学，学生操作不是特别烦琐。其他种类的如杭州大华仪器制造有限公司的YQF-1型圆球法导热系数测定仪，精密一些的就是连接电脑自动测温的一些新型仪器，本质就是把手工测温和读数的环节用电脑进行代替，这样即增加了仪器成本，学生动手操作环节又少了。

导热系数实验作为大学物理实验室的教学实验，吉高峰等讨论了热源温度对导热系数测量的影响[3]，孙庆龙研究了不良导体导热系数与温度的关系[4]，唐小村将导热系数开发成设计性实验[5]。大家的研究都是建立在实验操作过程非常标准的前提下，改变实验条件，看实验结果的变化情况。我们实验室也选用平板法类型的仪器，手动测温。选择手动操作比较多的实验仪器，能够更好地锻炼学生的动手能力，开阔视野[6]。本文对学生在课上操作不标准，容易引起测量误差的情况做以归纳讨论。

1 实验仪器及操作

本实验室选用的是杭州大华的YBF-2型导热系数测量仪，如图1所示。主要包括主机，铜-康铜热电偶，杜瓦瓶，硬铝棒等。实验操作是将被测样品很好地夹在上下两个铜盘之间，上下铜盘的加热-散热要达到平衡，用热电偶进行不同位置的测温等。

图1 YBF-2型导热系数测量仪及相关实验器材

2 各操作环节易出现的不规范现象及调节方法

2.1 硬铝棒相关问题对实验结果的影响

2.1.1 铝棒包裹隔热层

铝棒由于有一定高度，在热传导过程中，侧面必然会散热，为减小侧面的散热，铝棒外用隔热树脂进行包裹，包裹层越厚，隔热效果越理想，越有利于减小实验误差。但无论怎样包裹，势必不可能做到完全隔热。所以严格地说，铝棒传热散热平衡是上表面吸收热量，侧面和底面共同散热的一个动态的平衡。图2为试样铝棒，外侧包裹一层隔热树脂，以减少侧面热量的散失。实际上，铝棒侧面散热对铝棒导热系数是有一定影响的[7]，但实验室条件下，无法做到铝棒侧面绝对的隔热。

图2 包裹隔热树脂的铝棒

加热铜盘我们称为上铜盘，是固定在上端加热装置上的，不带调节螺丝，只能上下调节高度，下铜盘作为散热盘，靠三个调节螺丝调节水平。铝棒居中夹在上下铜盘之间时，容易出现的问题、原因及解决办法如下。

2.1.2 调节螺丝拧到底还是不能满足需要

原因是学生没有先行调节好加热盘的高度，致使散热盘下的三个调节螺丝长度不能满足需要。解决办法是先将三个调节螺丝全部退到最低-放好下铜盘-放好铝棒-对好各个测温孔朝向-压好上铜盘，顺序是自下而上依次放置，这样就很好地解决了调节螺丝长度不够的问题。

2.1.3 铝棒夹偏

原因是学生坐在操作台前，只下意识的观察前面部分的铜盘和铝棒，忽略了从铝棒侧面和后面再细致观察。解决办法是先均匀调节三个调平螺丝，在调节过程中要多观察铝棒的侧面和后面是否出现和铜盘的不贴合情况，再轻微旋转铝棒，如果很容易旋转，说明铝棒没有被夹紧，当调节到铝棒已经被夹的很紧了，旋转很费力时，最后再用纸从不同方向向铝棒两个底面和铜盘接触处去插。虽然此时已经基本上插不进去纸了，但还应用这种办法检查一下，避免出现问题。口诀是一看二拧三插纸。图3(a)所示为铝棒夹偏的情况以及图3(b)用纸片检查底面缝隙。铝棒夹的不紧不严，必然会在上下表面留有细细的空气层，不利于传热。空气层的存在会导致传热不顺畅，严重影响实验精度，这种情况可以说成是操作失误而不是实验误差。

图3(a) 铝棒夹偏

图3(b) 铝棒插纸检查

2.1.4 测温孔朝向问题

好多同学在实验操作时都忽略了铜盘和铝棒的测温孔朝向问题，当夹紧铝棒后，向测温孔插热电偶时才发现，两个铜盘的测温孔和铝棒的测温孔朝向不一致，导致热电偶线缠绕，非常不方便。图4为热电偶线绕到铝棒右侧的情况。

图4 热电偶线缠绕情况

2.2 热电偶相关问题对实验结果的影响

实验室有导热硅脂，比较好的做法是，先将硅脂填满测温孔后再插入热电偶，但实际情况是，铝棒和铜盘测温孔太细，直径为2 mm，铜盘孔深约6.5 cm，铝棒约3 cm，导热硅脂黏性太大，短时间内根本无法很好地灌满测温孔。如果让学生操作这件事，后果是硅脂浪费很多，仪器卫生无法保持，还无法达到效果要求。即便事先灌好，学生在操作过程中如果插拔多次热电偶，也会从测温孔内带出大部分硅脂。所以我们的做法是只在热电偶上涂导热硅脂，而不再向测温孔内灌硅脂，仪器经常用，测温孔内会残存一定量的硅脂，测量会出现少许误差，综合考虑我们还是这样做。

热电偶线是金属外侧包裹绝缘皮，线有一定长度，中间难免会有卷曲。所以测温时要细心，热电偶插入测温孔后，避免在弹性恢复力作用下退出一小段，导致测温出现失误，这不是误差。如上述所说的热电偶线缠绕情况就极易引起测温不准确！

如果热电偶尖端断开了，不能像一般的铜芯导线那样简单的拧在一起，因为热电偶的工作原理是两种不同成分材质的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路就会有电流通过。融合在一起的尖端才具有良好的传导电流的能力，简单拧在一起的热电偶，接触电阻大大增加，根本不符合热电偶的工作要求。焊接方法是用短路法，将热电偶断开的尖端少量地拧在一起，连接到可调直流电压源的一端，电源另一端连接一段普通导线。取一小杯清水作为导电媒介，导线放到水里，用钳子夹住热电偶向水面轻触，调节电源电压，直至热电偶尖端在短路电流作用下融成一体。此操作存在一定的危险性，学生勿动，必须专业人员来操作！

2.3 下铜盘散热平衡点温度读取对实验结果的影响

图5 同一散热曲线不同点的切线

即使散热平衡点相同，环境温度不同，也会对实验结果产生影响。图6为下铜盘在相同散热平衡点处的散热曲线以及切线，环境温度较低时为切线1，环境温度较高时为切线2。不同的热平衡点，切线的斜率是不同的。

图6 散热盘在相同热平衡点不同环境温度下的冷却速率曲线及切线图

3 结 语

在测量硬铝棒的导热系数实验中，很多操作环节都会对实验结果产生影响。有我们无法避免的，如铝棒侧面散热问题，我们无法做到完全的隔热。减小影响的方法一是在铝棒外侧包裹一层隔热树脂，二是实验操作时间长一点，尽量保持室内没有空气流通，保持铝棒以及散热盘周围温度趋于稳定，目的就是尽量提高环境温度。在环境温度较高时，可以30s时间间隔来读取散热盘的温度，在环境温度较低时，可以适当缩短读数的时间间隔。有的我们可以避免，如将铝棒很好地夹在两个铜盘之间，保证热电偶测温精准无误，保证热平衡温度点判断准确。这样我们就可以得到比较精确的硬铝棒的导热系数。