材料的热传导.ppt

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1、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

2、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

3、，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

4、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,热导率（导热系数）,热扩散率（导温系数）,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,当板材厚度为无限小时，有,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

5、 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,气体分子相互作用或碰撞引起的结果。,自由电子导热机理,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

6、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,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”,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：,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,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

7、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,l,T,l,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0.440m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。,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

8、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,光子的自由行程 是影响光子传导的主要因素。,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；,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 1273 K,1773 K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

9、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,洛伦兹数L 在 T 0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。,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

10、,几种物质的导热系数,纯铜：398 W/(mK) 丝绸：0.363 W/(mK) 棉花：0.0589 W/(mK) 水： 0.6 W/(mK) 空气：0.026 W/(mK),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,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/lT曲线,氧化铝单晶的热导率随温度的变化,非

11、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，故导热系数也升高。,中温到较高温度，热容渐变 为常数，故导热系数接近 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

12、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

13、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,Al2O3、BeO和MgO：,玻璃体：,某些建筑材料

14、、耐火砖等：,将下列物质按热导率大小排序，并说明理由： （）铬（）银（）Ni-Cr合金 （）石英（）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：30 mm30 mm,厚度：1 mm 20 cm,导热系数范围：,0.005 0.50 W/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,