第四讲 材料的热传导

中国矿业大学材料科学与工程学院第三节材料的热传导顾修全本章内容热容热膨胀热传导热稳定性思考题为什么坐在火炉旁能够感受到热？为什么晒太阳能够取暖？热量能否在真空中传递？保温材料通常具有什么样的结构？第三节材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量1.基本概念和定律温度梯度、热导率（导热系数）、热扩散率（导温系数）、热阻；稳定传热过程、不稳定传热过程；傅里叶定律什么是热传导？固体材料在温度梯度的作用下，热量从热端自动传向冷端。材料的热传导稳定传热过程非稳定传热过程热量传递的几种途径：热传导、热辐射、热对流。热传导热对流热辐射热传导物质内部或相互接触的物质之间的传热方式，物质并不作相对运动，只是热运动能量借助格波或电子从高温区传向低温区。热传导是固体传热的主要方式。热对流是流体传热的主要方式。物体之间或流体内部，通过流体的相对流动，把能量从高温区带到低温区。热辐射任何具有一定温度的物体都在不停地向外部辐射电磁波，借助电磁波将能量从一个物体传送到另一个物体，这种传递热量的方式称为热辐射。在高温和真空条件下，物体不相互接触时，热辐射是传热的主要方式。几种基本的传热方式比较热辐射的特点可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量。无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。物体热力学能电磁波能物体热力学能热传导的特点与机理1.导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移2.导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。表征物体温度变化的速率，越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。单位温度梯度下，单位时间通过单位截面积的热量。其倒数称为热阻率。热导率与热扩散率tSdxdTQ称为热导率热导率（导热系数）热扩散率（导温系数）pc22xTctTp热流密度反映了材料的导热能力。反映了材料上各点的温度随时间变化的快慢。中国矿业大学材料科学与工程学院中国矿业大学材料科学与工程学院傅里叶定律xTStQ当板材厚度为无限小时，有dxdTSdtdQ1822年，法国科学家傅里叶提出傅里叶定律：热流密度正比与温度梯度。注意：傅里叶定律只适用于稳态热传导。一些材料的导热系数比较一下传热学与电学中的一些物理量热导率电导率热流密度电流密度热阻电阻傅里叶定律欧姆定律温度梯度电势差第三节材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量2.热传导的物理机制（微观机制）气体传热的机理是什么？固体传热的机理是什么？热量依靠什么进行转移和传递？分子碰撞晶格振动（声子）自由电子运动格波声频支光频支晶格振动声子材料的传热机理分子导热机理电子导热机理声子导热机理光子导热机理气体金属、半导体金属、半导体、绝缘体固体高温条件下格波声频支光频支固体的传热声子热传导光子热传导自由电子热传导声频支光频支分子导热机理lCV31气体分子相互作用或碰撞引起的结果。自由电子导热机理lCV31自由电子间的相互作用或碰撞。金属中导热的主要机制低温下声子导热对金属的贡献将略有增大。自由电子导热与温度的关系金属导热系数的理论曲线λOT总的电子部分很低温度中等温度很高温度随温度线性呈线性变化不随温度变化而变化随温度增加略有减小声子和声子热导声子：晶格振动的“量子”h声子的运动：格波的传播过程热传导过程：声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子的能量：ppplc31jjjjlc31类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶体热传导是声子碰撞的结果。固体材料的导热是电子、声子和光子导热共同作用的结果，有电子的导热系数eeelc31声子的导热系数角标j表示不同载体类型的相应物理量。声子的平均自由程影响因素：格波间的相互作用声子与声子之间的碰撞缺陷、杂质以及晶粒间的界面声子的振动频率温度热阻取决于自由行程ωlTl光子导热机理固体中分子、原子、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强热效应的波长在0.4～40μm间（相当于红外、近红外光区）。热传导过程类似于光在介质中传播的现象。例如，太阳光、白炽灯、火把等。cTnTECV3216cTnET424rrlTn32316黑体辐射的能量：则热容为于是，辐射导热系数光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。特点：具有最强的辐射和吸收能力。光子导热的定性解释任何黑体都会辐射出能量，也会接受能量。温度高的单元体中，放出的能量多，而吸收的能量少；而温度低的单元体中，放出的能量少，而吸收的能量多。结果，热量从高温处流向了低温处。光子的平均自由程它的影响因素：透明度吸收和散射气孔率rl光子的自由行程是影响光子传导的主要因素。rlrl透明度对辐射线透明者，大，热阻小；对辐射线不透明者，小，热阻大；rl对辐射线完全不透明者，=0，热阻小，辐射传热就可忽略。单晶、玻璃陶瓷773—1273K1773K以上吸收和散射透明材料：吸收系数小，在几百摄氏度时，光辐射为主要传热形式；不透明材料:吸收系数不大，即使在高温下，光子传热也不是重要的。无机非金属材料中，在1500℃以上，光子传导才是主要的。气孔率材料中存在的气孔能使光发生散射，引起光子衰减，进而导致光子的平均自由程和光子导热系数减小。大多数陶瓷材料具有一定的气孔率，其光子导热系数总是比玻璃和单晶体小得多，只有在1500℃以上的高温，其光子导热过程才开始起重要作用。第三节材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量3.魏德曼-弗兰兹定律LT洛伦兹数L在T0℃的温度下近似为常数。意义：通过测定电导率来确定金属热导率。在室温下许多金属的热导率和电导率之比几乎相同，且不随金属不同而改变。281045.2KWL第三节材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量几种物质的导热系数纯铜：398W/(m·K)丝绸：0.363W/(m·K)棉花：0.0589W/(m·K)水：0.6W/(m·K)空气：0.026W/(m·K)4.热导率的影响因素温度的影响晶体结构的影响化学成分和杂质的影响分子量、密度和弹性模量缺陷和显微结构的影响温度的影响晶体非晶体晶体的导热系数λOT低温时，随温度升高，l值上升，其上限为晶粒尺寸大小；当温度达到一定值时，随温度升高，l值下降，其下限为几个晶格间距；高温时，随温度升高，l值基本上保持不变。晶体导热系数曲线的一般形式几种材料的1/l—T曲线氧化铝单晶的热导率随温度的变化非晶体的导热系数非晶体导热系数曲线中低温，主要是声子导热。此时，温度升高，热容也升高，故导热系数λ也升高。中温到较高温度，热容渐变为常数，故导热系数λ接近常数。高温，声子导热变化仍不大，但光子的平均自由行程增大，导热系数缓慢升高。晶体与非晶体导热系数曲线比较非晶体的自由行程在整个温度区间内变化不大。几种晶态氧化物及玻璃态二氧化硅的1/lr-T曲线晶体结构的影响晶体结构越复杂，导热系数越低多晶体和单晶体的影响不同气孔对导热系数的影响声子或格波的散射加剧多晶体的热导率较低，随温度升高其与单晶的差异变大气孔率越大，导热系数越小结构复杂程度对导热系数的影响单晶体和多晶体的热导率变化情况气孔率对热导率的影响气孔率增加气孔率较大的材料具有较低的热导率，因而适合用作保温材料。化学成分和杂质的影响金属材料无机非金属材料金属合金中加入杂质元素将使导热系数降低杂质与基体的差异越大，对热导率的影响越大基体导热系数越高，合金元素对热导率的影响越大晶粒越细小，导热系数越低。无机非金属材料形成固溶体时，由于晶格畸变，缺陷增多，使声子的散射几率增加，平均自由程减小，热导率减小。溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大，以及固溶后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。MgO-NiO固溶体的热导率杂质含量越低，杂质含量对热导率的影响越显著；温度越低，杂质含量对热导率的影响也越显著。分子量、密度和弹性模量的影响密度越小，导热系数越大；压缩系数越小或杨氏模量越大，导热系数越大；原子量越小，导热系数越大；对于各向异性的物质，热膨胀系数较小的那个方向，导热系数越大；反之，热膨胀系数较大的那个方向，导热系数则较小。某些无机材料的热导率石墨和BeO具有最高的热导率；通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率降低，而低热导率的材料正好相反；玻璃体的热导率随温度升高缓慢增大；某些建筑材料、粘土质耐火砖及保温砖，热导率随温度升高线性增大。某些无机材料的热导率dcT1036105.8125TTAAl2O3、BeO和MgO：玻璃体：某些建筑材料、耐火砖等：bt10将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：（１）铬（２）银（３）Ni-Cr合金（４）石英（５）铁第三节材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量5.热导率的测量稳态法非稳态法在稳定导热状态测定试样热导率的方法在不稳定导热状态测量的方法温度梯度热流密度材料的热导率如何控制热流密度难度较大温度场随时间的变化材料的比热容材料的密度材料的热导率测量速度快，热损失较小材料的导温系数测试时间长，热损失大热流仪（德国耐驰公司）上下板的温度恒定通过样品的温度梯度恒定通过样品的热流恒定材料的热导率热流仪工作原理图地址：材料学院A306室热流仪试样尺寸：30mm×30mm厚度：1mm~20cm导热系数范围：0.005~0.50W/m·K应用举例：微孔绝热材料乙丙橡胶泡沫膨胀聚苯乙烯热导率的工程应用保温墙体材料隔热耐火材料的选用核反应堆中，燃烧元件的最高反应温度热电动力堆、锅炉的效率航空、航天工业电子信息工业梯度功能材料小结基本概念物理机制影响因素魏德曼-弗兰兹定律导热系数、导温系数、傅里叶定律自由电子热导、声子热导、光子热导温度、化学组分、晶体结构、原子序数、气孔率等导热系数与电导率的关系