热传导物理课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
9
三、影响热导率的因素
1.热导率与电导率的关系
魏德曼-弗兰兹定律
2.温度的影响
10
三、影响热导率的因素
3.显微结构的影响（自学，下节课提问）
(1)结晶构造的影响 (2)各向异性晶体的热导率 (3)多晶体与单晶体热导率 (4)非晶体的热导率
11
三、影响热导率的因素
4.化学组成的影响
(1)合金组成对热导率的影响 (2)晶体组成对热导率的影响
第1章材料的热学性能
第一节晶格振动 第二节材料的热容 第三节材料的热膨胀 第四节材料的热传导
1
第四节 材料的热传导
一、固体材料热传导的宏观规律（热传导的基本概念和定律）
1.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，这个现象称为热传导。（由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移） 2.傅里叶定律：（只适用于稳定传热的条件）
↓ →
7
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
(3)光子平均自由程影响因素(kr描述介质中这种辐射能的传递能力，取决于 光子的平均自由程lr)
与介质透明度有关：
透明材料lr较大
不完全透明材料lr较小
完全不透明材料lr=0
与材料的吸收和散射系数有关：
透明材料吸收系数小，温度为几百度时，光子传热；
不透明材料吸收系数大，高温光子传导也不明显；
无机材料由于光子散射， lr小，在1500℃以上光子传导才明显（高温 下陶瓷呈半透明亮红色）
8
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
介质中辐射传热过程定性解释： 任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样 也能吸收类似的射线。在热稳定状态下，介质中任一 体积单元平均辐射的能量与平均吸收的能量相同，以 保持各点温度不随时间改变。当相邻体积单元间存在 温度梯度时，温度高的体积单元辐射出的能量多，吸 收的能量少；温度低的体积单元能量变化情况正好相 反，吸收能量多于辐射的。因此，能量便从高温处向 低温处转移。
4
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 1.电子导热
理想气体热导率表达式为 金属自由电子气模型：认为金属中的价电子组成自由电子气体，它是理想 气体，电子之间无相互作用，各自独立地在离子的平均势场中运动
5
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 2. 声子导热
14
2、有机高分子材料
声子热传导机制；通常用于绝热材料。 在低温区，随着温度升高，热导率增大；
温度升至玻璃化温度时，热导率出现极 大值；温度高于玻璃化温度后，由于分 子排列变得越来越疏松，热导率也越来 越小。对于晶态高聚物熔化时，热导率 下降更快。
15
16
3.热导率（ k又称导热系数）：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截 面积的热量。标志材料热传导能力的物理量。 4.热阻率 （1/k） ：表征着材料对热传导阻隔能力。 5.热扩散率:在不稳定热传导过程中表示温度随时间的变化率。相同条件下， 值越大，材料的各处温差越小。
2
思考：不同材料热导率有很大差异？
气体导热——分子间直接碰撞（气体分子杂乱地自由运动）。 固体材料导热——晶格振动(格波)以及电子和空穴运动实现。 金属导热——自由电子间碰撞； 无机非金属材料——晶格振动（格波）， 低温声子导热，高温时 光子导热；绝缘材料声子导热
热传导过程就是材料内部的能量传输过程。在固体中能量的 载体有：自由电子、声子（点振波）、光子（电磁辐射）
(1)声子:晶格振动的能量是量子化的。声频支格波看成是一种弹性波，类似于 在固体中传播的声波，因此就把声频波的量子称为声子。具有的能量为hv 。
声频支格波—弹性波—声波—声子
(2)声子导热：温度不高时，光频支格波能量很小，导热的贡献主要来自声频 支格波，声子作为导热载体。格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶 体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻归为声子同声子的碰撞。类似于理想气体 导热。
例如： 非金属液体k∈(0.17～0.7)W/(m.K) 纯金属k∈(50～415)W/(m.K) 合金k∈(12～120)W/(m.K) 常用的绝热材料k∈(0.03～0.17)W/(m.K) 气体k∈(0.007～0.17)W/(m.K)(1个标准大气压)
3
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism）
(3)平均自由程影响因素：质点间作用力、晶体缺陷、温度、声子振动频率
6
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
(1)热射线:高温时，固体材料中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态会 改变 ，会辐射出频率较高的电磁波谱。较强热效应的是波长在0.4-40um间可 见光与近红外光区域。 (2)光子导热：光子热传导在光频范围内，其传播过程与光在介质中传播现象 类似。把它们的导热过程看作是光子在介质中传播导热过程。
范围，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。
13
玻璃体材料：导热率随温度的升高而缓慢增大。高于773
K , 由于辐射传热的效应使导热率有较快的上升，
经验方程式： 式中： c,d 为常数
粘土质耐火砖以及保温砖：其导热率随温度升高线 性增大。一般的方程式是：
是0℃时材料的导热率 , b是与材料性质有关的常数.
5．陶瓷的热导率
6.气孔的Biblioteka Baidu响
12
四、实际材料的热导率
1、无机材料的热导率
晶体材料：通常低温时有较高热导率的材料，随着温度升高， 热导率降低。而低热导率的材料正相反。前者如Al2O3, BeO和 MgO等。
式中：T—热力学温度（K）；A—常数， 例如： =16.2， =18.8， =55.4。上式适用的温度
三、影响热导率的因素
1.热导率与电导率的关系
魏德曼-弗兰兹定律
2.温度的影响
10
三、影响热导率的因素
3.显微结构的影响（自学，下节课提问）
(1)结晶构造的影响 (2)各向异性晶体的热导率 (3)多晶体与单晶体热导率 (4)非晶体的热导率
11
三、影响热导率的因素
4.化学组成的影响
(1)合金组成对热导率的影响 (2)晶体组成对热导率的影响
第1章材料的热学性能
第一节晶格振动 第二节材料的热容 第三节材料的热膨胀 第四节材料的热传导
1
第四节 材料的热传导
一、固体材料热传导的宏观规律（热传导的基本概念和定律）
1.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，这个现象称为热传导。（由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移） 2.傅里叶定律：（只适用于稳定传热的条件）
↓ →
7
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
(3)光子平均自由程影响因素(kr描述介质中这种辐射能的传递能力，取决于 光子的平均自由程lr)
与介质透明度有关：
透明材料lr较大
不完全透明材料lr较小
完全不透明材料lr=0
与材料的吸收和散射系数有关：
透明材料吸收系数小，温度为几百度时，光子传热；
不透明材料吸收系数大，高温光子传导也不明显；
无机材料由于光子散射， lr小，在1500℃以上光子传导才明显（高温 下陶瓷呈半透明亮红色）
8
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
介质中辐射传热过程定性解释： 任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样 也能吸收类似的射线。在热稳定状态下，介质中任一 体积单元平均辐射的能量与平均吸收的能量相同，以 保持各点温度不随时间改变。当相邻体积单元间存在 温度梯度时，温度高的体积单元辐射出的能量多，吸 收的能量少；温度低的体积单元能量变化情况正好相 反，吸收能量多于辐射的。因此，能量便从高温处向 低温处转移。
4
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 1.电子导热
理想气体热导率表达式为 金属自由电子气模型：认为金属中的价电子组成自由电子气体，它是理想 气体，电子之间无相互作用，各自独立地在离子的平均势场中运动
5
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 2. 声子导热
14
2、有机高分子材料
声子热传导机制；通常用于绝热材料。 在低温区，随着温度升高，热导率增大；
温度升至玻璃化温度时，热导率出现极 大值；温度高于玻璃化温度后，由于分 子排列变得越来越疏松，热导率也越来 越小。对于晶态高聚物熔化时，热导率 下降更快。
15
16
3.热导率（ k又称导热系数）：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截 面积的热量。标志材料热传导能力的物理量。 4.热阻率 （1/k） ：表征着材料对热传导阻隔能力。 5.热扩散率:在不稳定热传导过程中表示温度随时间的变化率。相同条件下， 值越大，材料的各处温差越小。
2
思考：不同材料热导率有很大差异？
气体导热——分子间直接碰撞（气体分子杂乱地自由运动）。 固体材料导热——晶格振动(格波)以及电子和空穴运动实现。 金属导热——自由电子间碰撞； 无机非金属材料——晶格振动（格波）， 低温声子导热，高温时 光子导热；绝缘材料声子导热
热传导过程就是材料内部的能量传输过程。在固体中能量的 载体有：自由电子、声子（点振波）、光子（电磁辐射）
(1)声子:晶格振动的能量是量子化的。声频支格波看成是一种弹性波，类似于 在固体中传播的声波，因此就把声频波的量子称为声子。具有的能量为hv 。
声频支格波—弹性波—声波—声子
(2)声子导热：温度不高时，光频支格波能量很小，导热的贡献主要来自声频 支格波，声子作为导热载体。格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶 体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻归为声子同声子的碰撞。类似于理想气体 导热。
例如： 非金属液体k∈(0.17～0.7)W/(m.K) 纯金属k∈(50～415)W/(m.K) 合金k∈(12～120)W/(m.K) 常用的绝热材料k∈(0.03～0.17)W/(m.K) 气体k∈(0.007～0.17)W/(m.K)(1个标准大气压)
3
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism）
(3)平均自由程影响因素：质点间作用力、晶体缺陷、温度、声子振动频率
6
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 3. 光子导热
(1)热射线:高温时，固体材料中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态会 改变 ，会辐射出频率较高的电磁波谱。较强热效应的是波长在0.4-40um间可 见光与近红外光区域。 (2)光子导热：光子热传导在光频范围内，其传播过程与光在介质中传播现象 类似。把它们的导热过程看作是光子在介质中传播导热过程。
范围，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。
13
玻璃体材料：导热率随温度的升高而缓慢增大。高于773
K , 由于辐射传热的效应使导热率有较快的上升，
经验方程式： 式中： c,d 为常数
粘土质耐火砖以及保温砖：其导热率随温度升高线 性增大。一般的方程式是：
是0℃时材料的导热率 , b是与材料性质有关的常数.
5．陶瓷的热导率
6.气孔的Biblioteka Baidu响
12
四、实际材料的热导率
1、无机材料的热导率
晶体材料：通常低温时有较高热导率的材料，随着温度升高， 热导率降低。而低热导率的材料正相反。前者如Al2O3, BeO和 MgO等。
式中：T—热力学温度（K）；A—常数， 例如： =16.2， =18.8， =55.4。上式适用的温度