材料的热传导
第四讲 材料的热传导讲解
光子的平均自由程
光子的自由行程 lr 是影响光子传导的主要因素。
它的影响因素：
透明度 吸收和散射 气孔率
透明度
对辐射线透明者， lr 大，热阻小；
单晶、玻璃 773 — 1273 K
对辐射线不透明者， lr 小，热阻大；
陶瓷
1773 K以上
热流仪工作原理图
材料的热导率
地址：材料学院A306室
热流仪
试样尺寸：30 mm×30 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
黑体辐射的能量：
ET
4n2T 4
c
则热容为
CV
E 16n2T 3
T
c
于是，辐射导热系数
r
16
3
n2
T 3
lr
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
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。
5. 热导率的测量
稳态法
在稳定导热状态测定试样热导率的方法
温度梯度 热流密度
材料的热导率
非稳态法
测试时间长，热损失大
如何控制热流密度 难度较大
在不稳定导热状态测量的方法
温度场随时间的变化
材料的导温系数 材料的比热容 材料的密度
热传导与材料的导热性
热传导与材料的导热性热传导是指物质内部或物质之间的热量传递方式。
而材料的导热性则是指材料对热量传导的能力。
了解热传导及材料的导热性对于许多领域的工程和科学应用都至关重要。
本文将介绍热传导的基本概念以及其与材料导热性之间的关系。
一、热传导的基本概念热传导是指物质中热能由高温区域向低温区域传递的过程。
这一过程是通过分子的碰撞和相互作用来实现的。
当物质受热后，分子开始振动，振动的分子将能量传递给邻近分子，以此类推，最终使得热量在整个物质中传播。
热传导的速率被描述为热流量，即单位时间内通过单位面积的热能传递。
热传导的速率取决于多种因素，包括温度差、物质的导热系数、物质的厚度以及材料的结构等。
二、材料的导热性材料的导热性是指材料对热传导的能力。
材料的导热性可以通过导热系数来衡量。
导热系数是指单位面积上单位温度梯度下的热流量。
导热系数越大，材料的导热性越好，也就是说该材料能够更快地传导热量。
金属通常具有较高的导热系数，因此在许多工程领域中被广泛使用。
相比之下，塑料等非金属材料的导热系数较低，导热性较差。
除导热系数外，材料的密度也会影响其导热性能。
一般来说，密度较高的材料通常具有较好的导热性，因为更多的分子形成了热传导的路径。
三、影响热传导和导热性的因素除了材料的导热性能，还有一些其他因素会影响热传导和导热性。
1.温度差：热传导的速率与温度差成正比。
温度差越大，热传导速率越快。
2.物质的厚度：热传导的速率与物质的厚度成反比。
物质越薄，热传导速率越快。
3.材料的结构：材料的结构也会影响热传导。
具有复杂结构的材料通常具有较低的导热性。
4.介质：介质的存在也会影响热传导。
例如，在液体或气体中，分子之间的距离较大，热传导速率较慢。
四、应用和优化热传导和材料的导热性在许多领域有着广泛的应用。
在建筑领域，了解材料的导热性能能够帮助设计和选择合适的绝缘材料，以降低能源消耗。
在电子设备制造中，热传导和导热性对于散热是至关重要的。
热传导的影响因素与热传递
热传导的影响因素与热传递热传导是由高温区域向低温区域传递热量的过程，它在日常生活和工业生产中起着至关重要的作用。
了解热传导的影响因素和热传递规律，可以帮助我们更好地控制和利用热能，提高能源利用效率。
本文将深入探讨热传导的影响因素以及热传递的相关知识。
一、热传导的影响因素1.材料的热导率材料的热导率是影响热传导的重要因素之一。
热导率表示单位面积上单位厚度材料传导的热量。
不同材料的热导率各不相同，金属材料通常具有较高的热导率，而绝缘材料的热导率较低。
选择合适的材料可以有效地控制热传导的速率。
2.温度差温度差是促使热量传导的驱动力，温度差越大，热传导的速率越快。
例如，在一个金属棒的两端分别加热和冷却，随着温度差的增大，热量传导的速度也会增加。
因此，在一些应用中，通过调整温度差可以实现对热传导的控制。
3.横截面积材料的横截面积也会影响热传导的速率。
对于相同长度和温度差的物体，横截面积越大，热传导的速率就越快。
这是因为具有更大横截面积的物体可以提供更多的传热路径，使热量更快地传递。
4.体积密度材料的体积密度也会对热传导产生影响。
一般来说，体积密度越大，热传导的速率越快。
这是因为高密度材料中原子或分子之间相互靠得更近，热量传递更加迅速。
因此，在某些情况下，通过改变材料的密度可以调节热传导的速率。
二、热传递的相关知识1.热传导的基本定律热传导的基本定律由傅里叶研究得出，即传热速率正比于温度梯度和传热面积，反比于传热距离。
这个定律可以表示为以下公式：q = -k * A * ∆T / ∆x其中，q表示热传导速率，k表示材料的热导率，A表示传热面积，∆T表示温度差，∆x表示传热距离。
2.导热系数导热系数是材料的重要参数，它是热传导中的一个关键因素。
导热系数越大，材料的热导率越高，热传导速率也就越快。
不同材料的导热系数各异，我们可以根据具体应用需求选择合适的材料。
3.热传导与其他传热方式的比较在热传导过程中，热量通过固体材料中的原子或分子间的碰撞传递。
1.4-热传导
☼ 固溶体的形成降低热导率，而且取代元素的质量和大小与基质 元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。
在杂质浓度很低时，杂 质效应十分显著。所以在接
近 纯 MgO 或 纯 NiO 处 ， 杂 质 含量稍有增加，λ值迅速下 降。随着杂质含量的增加， 这个效应不断减弱。
杂 质 效 应 在 4 73 K 比 1273 K要强。若低于室温，
刚玉和莫来石1000 ℃下热导率与孔隙率 的关系
23
第23页，共24页。
五、实测无机材料的热导率
通常，低温时有较高热导率的材料， 随温度升高，热导率降低；而具有低热 导率的材料正好相反。
BeO, Al2O3和MgO：
经
A 8.51036T 10
验
T 125
公
式 玻璃体： cT d
粘土质耐火砖和保温砖：
第一章 材料的热学性能
1.4 热传导
1
第1页，共24页。
本小节内容
热传导的基本概念和定律
固体材料热传导的微观机理 金属材料热导率的一般规律
影响无机材料热导率的因素 实测无机材料的热导率
2
第2页，共24页。
当固体材料两端存在温度差时，热量会自动地从热端传向冷端的现
象，称为热传导 (Thermal conduction)。
11
第11页，共24页。
固体中辐射传热过程的定性解释：
热稳定状态T1T2 Nhomakorabea吸收
辐射
能量转移
对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、玻璃， 在773---1273 K辐射传热已很明显；
对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶瓷，一 些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显；
材料的热传导
材料的热传导热传导是材料科学中一个非常重要的概念，它涉及到材料在热能传递过程中的特性和行为。
热传导的研究不仅对于材料的性能评估和改进具有重要意义，同时也对于热工学和工程领域有着广泛的应用。
本文将从热传导的基本原理、影响因素以及应用方面进行探讨。
首先，让我们来了解一下热传导的基本原理。
热传导是指热量在物质内部由高温区向低温区传递的过程。
在固体材料中，热传导主要通过原子和分子之间的碰撞传递热量。
当材料的温度不均匀时，高温区的分子会向低温区传递热量，直到整个材料达到热平衡状态。
热传导的速度取决于材料的热导率和温度梯度，热导率越大，温度梯度越大，热传导速度就越快。
其次，影响热传导的因素有很多。
首先是材料的热导率，不同材料的热导率是不同的，例如金属材料通常具有较高的热导率，而绝缘材料则具有较低的热导率。
其次是材料的密度和结构，密度大、结构紧密的材料通常具有较好的热传导性能。
此外，温度梯度也是影响热传导的重要因素，温差越大，热传导速度越快。
最后，材料的形状和尺寸也会对热传导产生影响，例如薄壁材料的热传导速度通常比厚壁材料快。
在实际应用中，热传导的研究具有广泛的意义。
首先，在材料科学领域，热传导的研究可以帮助科学家们更好地理解材料的热学特性，为材料的设计和改进提供重要依据。
其次，在工程领域，热传导的研究可以帮助工程师们设计更高效的散热系统，提高设备的热传导效率。
此外，热传导的研究还对于热工学和能源领域具有重要意义，可以帮助人们更好地利用热能资源，提高能源利用效率。
总之，热传导作为材料科学中的重要概念，对于材料的性能评估、工程设计以及能源利用都具有重要意义。
通过对热传导的深入研究，可以帮助人们更好地理解和应用热传导的原理，推动材料科学和工程技术的发展。
希望本文的内容能够对读者有所启发，促进热传导领域的进一步研究和应用。
探索不同类型的材料的热传导性能
探索不同类型的材料的热传导性能材料的热传导性能是指材料导热的能力，实验表明，不同类型的材料在传导热能力上存在着明显的差异。
本文将探索不同类型的材料的热传导性能，通过实验数据和分析，介绍不同类型材料的热传导特性，为材料选型和设计提供一定的参考。
一、金属材料的热传导性能金属材料具有良好的导热性能，是热传导的良好导体。
普遍来说，铜和铝是具有较高导热性的常用金属。
铜是常见的导热金属之一，其导热系数高达398W/(m·K)，因此被广泛应用于导热设备、散热器等领域。
铝的导热系数虽然低于铜，但仍有205W/(m·K)的较高数值，其轻便的特性使其成为热交换器和散热器的常见材料。
二、陶瓷材料的热传导性能与金属材料相比，陶瓷材料的热传导性能较差。
陶瓷材料的导热系数通常在1-6W/(m·K)的范围内。
由于陶瓷材料的导热性能较低，因此在一些需要绝缘的场合得到了广泛应用。
在家电领域，陶瓷材料常用于制作绝热杯、炊具等，以降低传热导热性能。
三、塑料材料的热传导性能塑料材料是一类非常常见的工程材料，其热传导性能通常较差。
一般情况下，塑料的导热系数在0.1-0.3W/(m·K)范围内，比金属和陶瓷材料要低得多。
因此，塑料广泛应用于制造绝热材料、隔热层以及其他对热不敏感的环境，如电线电缆绝缘材料、塑料容器等。
四、复合材料的热传导性能复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的组合材料，其热传导性能根据材料组成和结构不同而有所差异。
以纤维增强复合材料为例，其导热性能取决于纤维和基体材料的热传导特性。
纤维通常具有较低的导热系数，如玻璃纤维和碳纤维等，而基体材料的导热性较高。
通过合理控制纤维含量和纤维取向，可以实现复合材料的导热性能调控，满足不同应用领域的需求。
总结：不同类型的材料具有不同的热传导性能，金属材料通常具有较高的导热系数，而陶瓷材料和塑料材料的导热性能较弱。
复合材料的导热性能则取决于其组分材料，可以通过合理设计和材料选择来调控。
第四节材料热传导
第四节材料热传导一、固体材料热传导的宏观规律热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象稳定传热假如各向同性固体材料x 轴方向的截面积为∆S ，材料沿x dT/dx ，在∆t 时间内沿x 轴正方向传过∆S 截面上的热量为∆Q 负号表示热量向低温处传递，常数λ称为热导率（或导热系数热导率：材料传输热量的能力的表征参数。
指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，所以其单位为W/(m•K)或J/(m•s•K)dTdx Q S t λ∆=-⨯∆∆（傅利叶导热定律∆S二、固体材料热传导的微观机理气体：传热是通过分子碰撞来实现的固体材料：不能象气体那样依靠质点间的直接碰撞来传递热能。
固体中的导热主要是由晶格振动的格波（声频支：声频声子子optic phonons）、自由电子和热射线金属：一般都有较大的热导率。
在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。
虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但是次要的非金属晶体：一般离子晶体的晶格中，自由电子很少，因此，晶格振动是热传导的主要机制假设晶格中一质点处于较高的温度下，它的热振动较强烈，平均振幅也较大。
而其邻近质点所处的温度较低，热振动较弱质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强质点的影响下，振动加剧，热运动能量增加。
这样，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较低处，产生热传导现象假如系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到邻近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，使整个晶体最终趋于一平衡态（非稳定导热的情况）4声子的平均自由程l讨论：若晶格热振动看成是严格的线性振动，则格波间没有相互作用，各种频率的声子间互不干扰，没有声子与声子碰撞，没有能量转移，晶体中的热阻为零（仅在到达晶体表面时，受边界效应的影响）。
热量就以声子的速度在晶体中得到传递。
然而，这与实验结果是不符合的实际上，晶格热振动并非是线性的，格波间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减少，降低热导率。
材料的热传导与导热性能
材料的热传导与导热性能随着科技的进步和社会的发展，各行各业对材料的导热性能的要求也越来越高。
导热性能是指材料对热能的传导能力，它直接影响着材料在工业生产中的应用。
在这篇文章中，我们将探讨材料的热传导机制和导热性能的影响因素。
热传导是指热能通过材料的直接传递。
一般来说，热传导可以通过三种方式进行：导热、对流和辐射。
导热是材料内部的分子或原子通过相互碰撞传递热能。
对流是指热量通过流体的流动传递，而辐射是指物体的热能以电磁波的形式传递。
材料的导热性能与许多因素有关。
其中最重要的因素是材料的热导率。
热导率是指单位时间内单位面积上的热能传导的能力，其数值越大代表热传导能力越强。
常见的高导热材料包括金属（如铜和铝）和导热塑料（如聚苯乙烯和尼龙）。
除了热导率外，材料的物理结构也会对导热性能产生影响。
结晶态材料通常比非晶态材料具有更高的导热性能。
这是因为在结晶态材料中，由于有序结构的存在，热传导路径更加畅通无阻。
此外，材料的密度也会影响导热性能。
通常情况下，密度越高的材料其导热性能也会相应增加。
这是因为高密度材料中原子或分子之间的距离更近，能够更有效地传递热能。
因此，在设计高性能导热材料时，需要综合考虑热导率和密度的关系。
此外，材料的晶格结构和缺陷也会对导热性能产生影响。
例如，晶格结构复杂的材料通常有较低的导热性能，因为晶格结构的复杂性会导致热传导路径的阻碍。
而材料中的缺陷（如空隙和杂质）通常会削弱热传导能力。
不同材料具有不同的热传导特性和导热性能。
例如，金属是一类具有优良导热性能的材料，导热率通常较高。
这使得金属广泛应用于热散热器、冷却器、加热装置等高热传导要求的领域。
另一方面，绝缘材料通常导热率较低，适用于隔热材料的制备。
为了提高材料的导热性能，人们已经采取了许多方法。
一种常用的方法是合金添加。
在一些导热性能较差的材料中添加导热率较高的材料，如金属纳米颗粒，可以显著提高材料的导热性能。
此外，改变材料的晶格结构、优化材料的成分和形状等也可以增强导热性能。
材料的热传导率与导热机制
材料的热传导率与导热机制热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程。
对于材料来说，其热传导率是一个重要的物理性质，它影响着材料在热学方面的应用。
了解材料的热传导率以及导热机制对于设计高效热传导材料和改进散热设备具有重要意义。
一、热传导的基本概念和公式热传导是通过材料中的分子和原子间的碰撞传递热量的过程。
当一个物体的一部分受热时，其分子和原子会具有更高的动能，它们会以更快的速度振动和碰撞。
这种振动和碰撞会导致热量从一部分传递到另一部分。
热传导率是衡量材料传导热量能力的物理量。
用字母k表示，单位是瓦特每米每开尔文（W/m·K）。
热传导率的大小与材料的性质有关，一般来说，热传导率较大的材料具有更好的导热性能。
热传导的速率可以通过傅里叶定律计算，该定律描述了热量传导与温度梯度之间的关系。
它的数学表示为：q = kA△T/△x其中，q是单位时间内通过材料传导的热量，k是材料的热传导率，A是传热截面积，△T是温度差，△x是传热路径的长度。
二、导热机制导热机制是指在材料中传递热量的具体方式。
不同材料的导热机制不同，可以从微观层面来解释。
晶格导热是固体材料中常见的导热机制。
晶体结构中的原子通过振动和碰撞来传递热量。
对于晶体材料来说，热传导实际上是原子间的能量传递过程。
晶体结构的紧密程度以及原子振动的频率和强度都会影响材料的热传导率。
对于金属材料来说，其高热导率主要是由于金属的自由电子导电机制和晶格导热机制共同作用的结果。
金属中的自由电子具有高度的运动自由度，可以有效地传递热量。
而非金属材料中由于电子束缚较强，自由电子参与导热过程较少，导热主要通过晶格的振动传递。
此外，液体和气体中的热传导主要是通过分子间的碰撞传递的，称为分子导热。
液体和气体的热传导率较低，主要是由于分子间的距离较大，碰撞频率较低。
三、影响热传导率的因素热传导率的大小不仅与材料本身的性质有关，还与环境因素和材料的结构有关。
首先，材料的密度对热传导率有一定影响。
热传导与材料的导热性
热传导与材料的导热性导语：热传导是热能在物质中传递的过程，材料的导热性则决定了热量如何在材料中传导。
在本文中，我们将讨论热传导的基本原理以及影响材料导热性的因素。
一、热传导的基本原理热传导是热量通过物质内部的分子碰撞而传递的过程。
它遵循热梯度的方向，即热能从高温区域传递到低温区域。
这种传递是通过固体、液体和气体中的颗粒之间的相互作用实现的。
热传导是一个复杂的过程，主要由三种方式实现：导热、传导和辐射。
导热是固体材料中的分子或原子之间的直接碰撞传递能量。
传导是液体和气体中的分子通过碰撞将热能传递给相邻的分子。
而辐射则是指通过电磁波的辐射传递热能。
二、影响材料导热性的因素材料的导热性能受多种因素的影响，下面将介绍其中几个重要的因素。
1. 材料的热导率热导率是一个衡量材料传导热量能力的物理量。
热导率越高，表明材料越容易传导热量。
导热性能好的材料通常具有较高的热导率。
2. 材料的密度密度是指材料的质量与体积之比。
通常情况下，密度越大的材料，其导热性能越好。
因为大部分情况下，密度较大的材料具有更多的原子或分子，这样可以增加热量传递的效率。
3. 材料的热容量热容量是指物质在温度变化下吸收或释放的热能量。
热容量越高，材料对热量的吸收和释放能力就越强，同时也能更好地传导热量。
4. 结构和组成材料的结构和组成也会影响其导热性能。
晶体结构的材料通常具有较好的导热性能，因为固定的结构可以提供更好的热传导通道。
此外，元素的选择和分子的排列方式也会对导热性产生影响。
三、导热材料的应用领域导热材料在现代科学技术中有着广泛的应用。
以下是一些例子：1. 热散热器导热材料常用于制造散热器，以帮助电子设备和机械设备散发多余的热量。
高导热性能的材料可以有效地从热源中吸收热量，并将其传递到更大的表面积上，以加快热量的散发。
2. 建筑领域在建筑领域，导热材料被用于隔热材料和保温材料的制造，以提高建筑物的能源效率。
通过选择低导热率的材料，可以减少能量的损失，并改善建筑物的保温性能。
热传导与材料热导率
热传导与材料热导率热传导是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
它是导热介质中分子之间能量传递的方式，是热力学的基本概念之一。
热传导的快慢与材料的热导率密切相关。
热导率是材料传导热量的能力的物理量，它反映了材料传热性能的优劣。
本文将介绍热传导的基本原理以及影响材料热导率的因素。
为了理解热传导与材料热导率的概念，我们需要先了解这个过程发生的原因。
大多数固体材料都是由原子或分子组成的，它们通过振动而相互作用。
当一个物体的一部分受热时，这些振动会引起周围原子或分子的振动，从而传递热量。
因此，热传导需要存在介质，如空气、固体或液体。
热传导的速率与材料的热导率有关。
热导率可以定义为单位面积和单位时间内的热量传递。
通常用字母k表示。
不同材料的热导率差异很大，例如金属和非金属材料的热导率相差几个数量级。
热导率受多种因素的影响。
其中之一是材料的密度。
一般来说，密度越高，原子或分子之间的距离越短，相互之间的相互作用越强，热能传导也就越好。
因此，金属通常具有较高的热导率，而空气和液体则相对较低。
另一个影响热导率的因素是材料的结构。
结晶固体比非晶固体具有更好的传热性能。
这是因为结晶固体中原子或分子的排列是有序的，振动能量可以更有效地传递。
非晶材料的结构较为松散，振动能量传递的效率相对较低。
此外，材料的温度也会影响导热性能。
通常情况下，温度升高，材料的热导率也会增加。
这是因为在高温下，原子或分子的振动会更加剧烈，能量传递更加迅速。
然而，在一些特殊情况下，如固态材料中存在的相变，温度升高并不一定会导致热导率的增加。
除了上述因素外，材料的纯度和晶格缺陷也会影响热导率。
杂质、杂质团簇和晶格缺陷会影响原子或分子之间的振动传递，从而降低热导率。
因此，在一些应用中，为了提高材料的热导率，需要通过纯化和控制晶格缺陷来改善材料的性能。
研究热传导与材料热导率是理解能量传递与热力学性质的重要角度之一。
只有充分了解和利用这些物理特性，才能更好地实现热力学和能源应用领域的创新。
热传导三种方式公式
热传导三种方式公式热传导是指热量通过材料的传递，通常有三种方式：传导、对流和辐射。
1. 传导（Conduction）：传导是通过材料的直接接触而传递热量的方式。
它是由分子之间的碰撞和振动所引起的能量传递。
传导的热传递率由 Fourier 定律来描述，其公式为：Q=k*A*(ΔT/d)其中，Q是传导热流量，单位为瓦特（W），k是材料的热导率，单位为瓦特/（米·开尔文），A是传热的横截面积，单位为平方米（m²），ΔT是温度差，单位为开尔文（K），d是传热路径的长度，单位为米（m）。
传导的热传递率与材料的导热性能、温度差和传热距离有关。
热导率越大，热传导速率越快。
当温度差增大或传热距离减小时，热传导速率也会增加。
2. 对流（Convection）：对流是指通过材料内部的流体运动而传递热量的方式。
对流一般包括自然对流和强迫对流两种形式。
自然对流是通过流体本身的密度和温度的差异产生的传热方式。
自然对流的热传递率可以由 Nuussult 数来计算，其公式为：Nu=h*L/λ其中，Nu 为 Nuussult 数，L 为流体流动路径的特征长度，单位为米（m），h 是传热系数，单位为瓦特/（平方米·开尔文）（W/（m²·K）），λ 为流体的导热系数，单位为瓦特/（米·开尔文）（W/（m·K））。
强迫对流是通过外部施加的压力或机械力引起的传热方式。
对流的热传递率与流体的性质、流速、温度差和流动路径有关。
3. 辐射（Radiation）：辐射是通过电磁波的辐射来传递热量的方式。
辐射传热不需要物质的存在，可以在真空中传播。
辐射的热传递率可以由Stefan-Boltzmann 定律来计算，其公式为：Q=ε*σ*A*(T₁⁴-T₂⁴)其中，Q 是辐射热流量，单位为瓦特（W），ε 是表面的辐射发射率，σ 是 Stefan-Boltzmann 常数，约为5.67 × 10⁻⁸瓦特/（平方米·开尔文的四次方）（W/（m²·K⁴）），A 是辐射传热的表面积，单位为平方米（m²），T₁和 T₂分别是两个表面的温度，单位为开尔文（K）。
材料的热传导
5
气孔的影响
随着气孔率的增大， 随着气孔率的增大，热 气孔率的增大 导率按比例减小 。 粉末和纤维材料， 粉末和纤维材料，其热 和纤维材料 导率比烧结状态时又低很 导率比烧结状态时又低很 多。 金属和合金， 金属和合金，自由电子 对热传导起支配因素 。
当温度不很高，而且气孔率不大，气孔尺寸很小， 当温度不很高，而且气孔率不大，气孔尺寸很小，又均匀地 分散在介质中时，这样的气孔可看作为一分散相， 分散在介质中时，这样的气孔可看作为一分散相，材料的热导率 仍然可按复相材料的方法
3 热传率：
一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂 直面积的热量 。
二、热传导的微观机理
固体导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来 固体导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来 导热主要是由晶格振动的格波 实现。 实现。 某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈， 一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈， 振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧， 振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧， 弱的质点在振动较强的质点的影响下 热振动能量就增加， 热振动能量就增加，热量就能转移和传递 。 1 声子和声子热导 温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用。 温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用。 作用
4 复相材料的热导率
λc, λd，分别为连续相和分散相物质 的热导率， 为分散相的体积分数。 的热导率，φd为分散相的体积分数。 左图中粗实线表示MgO 与 MgO-Si0 左图中粗实线表示 MgO与 MgO-Si02 系统 MgO 实测的热导率曲线， 实测的热导率曲线，细实线是按上式的 计算值。 计算值。 可见，在含MgO和 可见，在含MgO和Mg2SiO4较高的两 MgO 计算值与实验值是很吻合的。 端，计算值与实验值是很吻合的。
材料热传导
材料热传导材料热传导是指材料内部的热量在温度梯度驱动下的传递过程。
这个过程是通过分子间的热振动来实现的。
材料热传导的主要机制有导热传导、辐射传热和对流传热。
导热传导是最常见的材料热传导机制，它是指热能通过材料内部的分子振动和传递的过程。
热能传递主要依靠材料中的自由电子或声子传递。
对于好的导体，如金属，自由电子是主要的传热手段。
在导热传导过程中，热能会从高温区域传递到低温区域。
导热传导的速率与材料的热导率有关，热导率越高，热传导速率就越快。
辐射传热是指通过电磁波的辐射传递热能的过程。
所有物体都会辐射热量，辐射热量的强度与物体的温度和表面特性有关。
辐射传热可以发生在真空中，不需要介质传递热量。
在辐射传热过程中，物体会同时吸收和辐射热量，辐射热量的速率与物体的温度的4次方成正比。
对流传热是指通过流体的流动来传递热量的过程。
对流传热需要介质的参与，一般发生在气体或液体中。
对流传热可以分为自然对流传热和强制对流传热两种。
自然对流传热是指由于温度差异而引起的流体运动，强制对流传热是通过外力驱动流体的流动。
对流传热的速率受到流体的热传导率和传热表面积的影响。
在实际材料中，这三种热传导机制往往同时存在，热传导的速率取决于这三种机制的相对贡献。
不同材料的热传导性质也有很大差异，导热性能好的材料在热传导过程中会快速将热量传递出去，而热传导性能差的材料会有较高的热阻，热量传递速率较慢。
热传导在工程中有很多重要的应用，例如散热器、绝热材料、热交换器等。
研究材料的热传导性能有助于优化热传导器件的设计和改进材料的热导性能，提高能源利用效率和降低能量损耗。
温度与热传导系数：分析材料的热传导系数及其在热工设计中的应用
热传导系数在热工设计中的改进
• 开发新型保温材料，提高热传导系数 • 采用先进的传热技术，如热管、相变 材料等 • 利用计算机模拟和实验验证，指导热 工设备设计
04
热传导系数在不同材料中的应用及其比较
金属材料的热传导系数及其应用
金属材料的热传导系数
• 一般较高，因为金属原子间的键合较强， 热量传输速度快 • 不同金属的热传导系数不同，如铜、铝、 铁等
热传导系数研究的未来趋势及其 展望
01
热传导系数研究的未来趋势
• 随着新材料和新技术的发展Байду номын сангаас热传导系 数的研究将更加深入 • 热传导系数的研究将更加注重实际应用， 如热工设备设计、高性能器件制造等
02
热传导系数研究的展望
• 建立更完善的热传导系数测量方法和标 准 • 发展更有效的热传导系数理论模型和计 算方法 • 为热工设备设计和优化提供更有力的理 论支持和技术指导
金属材料热传导系数的应用
• 用于制造热工设备，如锅炉、散热器、 热交换器等 • 用于电力输送，如导线、电缆等
非金属材料的热传导系数及其应用
非金属材料热传导系数的应用
• 用于制造保温材料，如保温板、保温管等 • 用于制造低热导率器件，如电子器件、光学器件等
非金属材料的热传导系数
• 一般较低，因为非金属原子间的键合较弱，热量传输速度慢 • 不同非金属的热传导系数不同，如塑料、陶瓷、木材等
02
热传导系数的测量方法
• 平板法：通过测量材料在平板间的热量 传递来计算热传导系数 • 圆筒法：通过测量材料在圆筒壁间的热 量传递来计算热传导系数 • 球体法：通过测量材料在球体间的热量 传递来计算热传导系数
热传导系数的测量误差及其控制
不同类型的材料对热传导的影响
不同类型的材料对热传导的影响热传导是物体内部或不同物体之间热量传递的过程。
材料的热传导性能直接影响着热量传递的效率和速度。
不同类型的材料具有不同的导热性能，进而对热传导产生不同的影响。
本文将从导热性质、材料种类和应用领域等方面，探讨不同类型的材料对热传导的影响。
一、导热性质不同材料的导热性质是影响热传导的关键因素之一。
热传导可以通过导热物质内部的微观振动、原子之间的碰撞传递热量。
而材料的导热性能与其内部的晶体结构、分子排列密度和键合方式有关。
1. 金属材料：金属具有良好的导热性能，其内部晶格结构高度有序，电子自由度高，因此能够快速传导热量。
常见的金属材料如铜、铝、铁等，因其导热性能优异，广泛应用于热传导领域，如散热器、导热管等。
2. 非金属材料：非金属材料导热性能相对较差，其内部晶格结构比较松散，原子间键合力较弱。
非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷等，其导热性能较差，导热速度较慢。
因此，在热传导方面的应用相对较少。
3. 储热材料：储热材料也是一类特殊的材料，其具有较高的导热性能并能吸收和释放热量。
常见的储热材料包括相变材料（如蓄冷剂），其在相变（如固态到液态）过程中能够吸收大量的热量，并在逆相变时释放出来。
储热材料广泛应用于太阳能热水器、地热储能等领域。
二、材料种类不同材料种类对热传导的影响也是多样的，各种材料以其独特的特性，对热量的传递产生不同的影响。
1. 传导型材料：传导型材料是指在热量传递过程中主要通过热传导的材料。
金属材料是最常见的传导型材料，如铜导线、铝制散热器等。
这些材料通过其内部的电子传导和原子间的碰撞来实现热传导。
2. 绝缘型材料：绝缘型材料对热传导具有较好的隔离效果，能够有效阻止热量的传递。
绝缘材料如泡沫塑料、空气层等，在保温材料、隔热材料等领域得到广泛应用。
3. 空气层材料：在隔热材料中，空气层也是一种常见的材料。
空气的导热系数低，可形成一层隔热层，减少热量的传递。
例如，在双层玻璃窗中，两层玻璃之间的空气层有助于隔热。
2,4 材料热传导特性简介
陶瓷材料的热传导机理
陶瓷材料热传导：晶格振动能依靠声子传播，声子传热
(声子)传热需要考虑声子运动中的阻力——散射作用
固体中的声子类似于传导电子，受到很多因素 的干扰。借用声子运动自由程的概念。这些因 素影响固体的导热性。包括： — 声子－声子交互作用 — 声子与晶体缺陷作用 — 界面对声子的散射
第2章 材料的热学性能
材料热学性能概述
主要内容：
(1) 吸放热与热容 (2) 热膨胀
温度变化时要吸收或者放出热量， 表征量为热容
温度改变造成相邻原子的平均间 距增大，固体材料的热膨胀
Hale Waihona Puke (3) 热传导固体材料存在空间位置上的温差时， 热量从高温处向低温处流动，使得 温度趋向均匀，由此发生热传导。
• 本章基础知识：晶格振动
金属导热性——温度影响(升温时)
(1) 纯金属导热性减弱 (2) 第二组元数量较多的 合金导热性小幅度增强
陶瓷材料热传导性能——声子传热
陶瓷导热：晶格振动能依靠声子传播，声子传热 固体中弹性波的速度，是单个声子的传播速度 传热是振动能依靠声子运动产生的转移速度， 需要考虑声子散射，还要考虑声子数量 固体弹性波传播时强度逐渐减弱——散射作用 传热是不同能量的声子交换位置、最终均匀化
陶瓷的导热性及影响因素
声子传热
高导热陶瓷材料：晶体，高熔点，少晶体缺陷 低导热陶瓷材料：非晶体，多孔隙 。玻璃，砖体等
结构性低导热材料：多孔，夹层材料
影响因素：
—陶瓷材料： 晶态导热性好 非晶态导热性差多 孔材料导热性差
T的影响：
声子传热
较高温度范围内，声子互相干扰，随温度升高而加剧， 故此导热性又有所降低
热传导三种方式公式
热传导三种方式公式热传导是指物体内部或不同物体之间因温度差异而产生热量传递的现象。
热传导过程可以通过三种方式进行：热对流、热辐射和热传导。
本文将分别介绍三种热传导方式及其公式。
1.热对流热对流是指流体（气体或液体）在物体表面或内部通过对流方式进行热传递。
在流体中，热量传递是通过流体分子间的碰撞实现的。
热对流的公式如下所示：Q=hAΔT其中，Q为热量，h为热传递系数，A为传热面积，ΔT为温度差异。
热传递系数h是由流体的性质、流速、传热面积等因素决定的，通过实验得到的。
例如，一个半径为10cm的球体，其表面与气体接触，气体温度为30℃，球体内部温度为100℃，求其表面每秒钟传递多少热量？解：首先计算出表面积，A=4πr²=4π某10²=1256.64cm²。
然后选择恰当的热传递系数，假设为h=10W/(m²·K)，将其转换为cm单位，得h=0.1W/(cm²·K)。
最后代入公式得到：Q=hAΔT=0.1某1256.64某(100-30)=940.98W。
2.热辐射热辐射是指物体通过辐射方式进行热传递，而不需要介质来传递热量。
所有物体都可以辐射热量，其公式如下所示：Q=σεA(T₁⁴-T₂⁴)其中，Q为热量，σ为斯特腾-玻尔兹曼常数，ε为辐射率，A为表面积，T₁和T₂分别为两侧物体的绝对温度。
斯特腾-玻尔兹曼常数σ是一个物理常数，其数值为5.67某10⁻⁸W/(m²·K⁴)，可以通过实验测定得到物体的辐射率ε。
例如，一个黑色矩形板，长50cm、宽30cm、温度为100℃，悬空悬浮在25℃的房间内，求每秒钟它向房间内传递多少热量？解：首先计算出表面积，A=2(50某30+30某100+50某100)cm²=27,000cm²。
然后计算出物体的辐射率，或参考已知黑色物体的典型值，假设为ε=1、最后代入公式得到：Q=σεA(T₁⁴-T₂⁴)=5.67某10⁻⁸某1某27,000某(373⁴-298⁴)=648.43W。
热传导系数
热传导系数
热传导系数是在热传导过程中一个非常重要的物理量，它代表了材料对热量传
递的能力。
热传导系数通常用符号λ表示，单位为瓦特每米每摄氏度（W/m·°C）。
材料的热传导系数越大，代表材料越容易传导热量，反之则越难传导热量。
热传导系数的定义
热传导系数是描述物质内部传导热量的性质，定义为单位时间内通过单位面积、单位温度梯度的热量。
在一个均匀材料中，热传导系数是一个常数，通常会随着温度的变化而略微改变。
影响热传导系数的因素
热传导系数受很多因素的影响，其中最主要的因素包括材料的组成、密度、温度、压力等。
在一般情况下，金属的热传导系数较高，而绝缘材料的热传导系数则较低。
热传导系数的应用
热传导系数在工程领域有着广泛的应用，例如在建筑领域中，通过了解不同材
料的热传导系数可以选择合适的材料来保证建筑的保温效果；在电子器件中，也需要考虑材料的热传导系数以确保器件正常工作温度。
热传导系数的测量方法
测量热传导系数的方法有很多种，常用的方法包括横向热导率测量法、热阻技术、激光热动力学方法等。
这些方法可以通过实验来测量不同材料的热传导系数，为实际工程应用提供参考。
结语
热传导系数是描述材料传导热量能力的重要物理量，了解不同材料的热传导系
数对于各种工程领域都至关重要。
通过对材料热传导系数的深入研究和了解，可以更好地选择合适的材料应用在不同的实际工程中，提高工程的效率和性能。
以上是关于热传导系数的简要介绍，希望对热传导系数有所了解和认识。
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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。
➢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
➢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。
热流密度
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。
反映了材料的导热能力。
Q dT St
dx
称为热导率
热扩散率（导温系数）
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。 反映了材料上各点的温度随
T 2T t cp x2
cp
5. 热导率的测量
稳态法
在稳定导热状态测定试样热导率的方法
温度梯度 热流密度
材料的热导率
非稳态法
测试时间长，热损失大
如何控制热流密度 难度较大
在不稳定导热状态测量的方法
温度场随时间的变化
材料的导温系数
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
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
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，
λ
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
O
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
声子或格波的散射加剧
多晶体和单晶体的影响不同
多晶体的热导率较低，随温度升高其与单晶的差异变大
➢ 热电动力堆、锅炉的效率
➢ 航空、航天工业
梯度功能材料
➢ 电子信息工业
小结
基本概念
导热系数、导温系数、傅里叶定律
物理机制
自由电子热导、声子热导、光子热导
影响因素
温度、化学组分、晶体结构、原子序数、气孔率等
魏德曼-弗兰兹定律
导热系数与电导率的关系
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：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。
黑体辐射的能量：
ET
4n2T 4
c
则热容为
CV
E 16n2T 3
T
c
于是，辐射导热系数
r
16
3
n2
T 3
lr
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
➢ 透明度
对辐射线透明者， l大r ，热阻小；
单晶、玻璃 773 — 1273 K
对辐射线不透明者， l小r ，热阻大；
陶瓷
1773 K以上
对辐射线完全不透明者， lr= 0，热阻小， 辐射传热就可忽略。
➢ 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。
T
晶格间距；
晶体导热系数曲线的一般形式
高温时，随温度升高，l 值基本 上保持不变。
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。
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。
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
1822年，法国科学家傅里叶提出
Q St T
x
当板材厚度为无限小时，有
dQ S dT
dt
dx
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
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
1 3
ceele
声子的导热系数
1 3
c p
plp
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
热阻
缺陷、杂质以及晶粒间的界面
声子的振动频率 ω l
取决于自由行程
温度
Tl
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）。
自由电子导热机理
1 3
CV
l
金属中导热的主要机制
自由电子间的相互作用或碰撞。
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
λ
➢ 很低温度
总的
随温度线性呈线性变化
➢ 中等温度
电子部分
不随温度变化而变化
O
T ➢ 很高温度
金属导热系数的理论曲线
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” 声子的能量：h
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：
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。
热导率与热扩散率
热导率（导热系数）
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：398 W/(m·K) ➢ 丝绸：0.363 W/(m·K) ➢ 棉花：0.0589 W/(m·K) ➢ 水： 0.6 W/(m·K) ➢ 空气：0.026 W/(m·K)
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
光子的自由行程 lr是影响光子传导的主要因素。
它的影响因素：
透明度 吸收和散射 气孔率
第三节 材料的热传导
顾修全
中国矿业大学 材料科学与工程学院
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
几种基本的传热方式比较
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。
热流仪工作原理图
材料的热导率
地址：材料学院A306室
热流仪
试样尺寸：30 mm×30 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
晶格振动
格波