金属材料热传导

金属材料成分比(%) 热传导率

银100 1.000 无氧铜 100 0.952

金 100 0.690 铝合金 100 0.531 73黄铜 70Cu-30Zn 0.289 镍 100 0.198 5%磷青铜95Cu-5Sn 0.194 锡 100 0.160 8%磷青铜 92Cu-8Sn 0.149

铅 100 0.083

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热传导(导热)

依靠分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动而实现的热量传递称为热传导，简称导热。导热可发生在固体中，也可发生在液体和气体中，但它们的导热机理各不相同。气体热传导是由作不规则热运动的气体分子相互碰撞的结果。物理学指出，温度代表着分子的动能，高温区的分子运动速度比低温区的大，能量高的分子与能量低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温处传到低温处；液体热传导的机理与气体类似，但由于液体分子间距较小，分子力场对分子碰撞过程中的能量交换影响很大，故变得更加复杂些；固体以两种方式传导热能：自由电子的迁移和晶格振动。对于良好的导电体，由于有较高浓度的自由电子在其晶格结构间运动，则当存在温度差时，自由电子的流动可将热量由高温区快速移向低温区，这就是良好的导电体往往是良好的导热体的原因，当金属中含有杂质时，例如合金，由于自由电子浓度降低，则其导热性能也将大大下降；而在非导电的固体中，热传导是通过晶格结构的振动来实现的，通常通过晶格振动传递能量的速率要比通过自由电子传递能量的速率小。

描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律（Fourier’s Law），其数学表达式为

（5-1）

式中q——热传导速率，W；

S——与热传导方向垂直的传热面（等温面）面积，m2；

k——物质的导热系数，W/( m .oC）；

——温度梯度，℃/m。

式(5-1)中的负号表示热传导服从热力学第二定律，即热通量的方向与温度梯度的方向相反，也即热量朝着温度下降的方向传递。

2．导热系数

式(5-1)可改写为

（5-2）

上式即为导热系数的定义式，该式表明，导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。导热系数k表征了物质导热能力的大小，是物质的基本物理性质之一。导热系数的大小和物质的形态、组成、密度、温度及压力等有关。

（1）气体的导热系数与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对热传导不利，但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料，如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以其导热系数较小，适用于保温隔热。

单原子稀薄气体的导热系数可根据气体分子运动理论计算，即

（5-3）

式中，为玻尔兹曼常数，T为气体的热力学温度，M为摩尔质量，d为分子直径。

上式表明，k与压力无关，随温度的升高而增大。这与实验结果甚为吻合，事实上，在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力的变化很小，可以忽略不计，仅当气体压力很高（大于200MPa）或很低（低于2.7kPa）时，才考虑压力的影响，此时导热系数随压力升高而增大。

对于多原子气体的导热系数，由于其分子能量的复杂性，目前仅对除H2之外的双原子气体有较好的半经验计算公式，其余大都依靠实验方法测定。

常压下气体混合物的导热系数可用下式估算

（5-4）

式中yi——气体混合物中i组分的摩尔分数；

Mi——气体混合物中i组分的摩尔质量，kg/kmol。

（2）液体的导热系数由于液体分子间相互作用的复杂性，液体导热系数的理论推导比较困难，目前主要依靠实验方法测定。

液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。

大多数金属液体的导热系数均随温度的升高而降低。

在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。液体的导热系数基本上与压力无关。

（3）固体的导热系数在所有固体中，金属是最好的导热体，大多数纯金属的导热系数随温度升高而降低。导热系数与电导率密切相关，纯金属的导热系数k

与电导率ke可近似关联如下，即

（5-5）

此即著名的魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程。式中，k为导热系数，ke为电导率，L为洛伦兹(Lorvenz)数。

式(5-5)的重要性在于建立了导热系数与电导率之间的定量关系，它表明，良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。

金属的纯度对导热系数影响很大，合金的导热系数比纯金属要低。

非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关，一般k值随密度增加而增大，亦随温度升高而增大。

对大多数均质固体，其k值与温度近似呈线性关系，即

（5-6）

式中k——固体在t oC时的导热系数，W/( m.oC）；

k0——固体在0 oC时的导热系数，W/( m.oC）；

b——温度系数，对大多数金属材料，b为负值；而对大多数非金属材料，b为正值；对理想气体，，1/K。

应予指出，在热传导过程中，由于物体内不同位置的温度各不相同，故导热系数也有所不同，但可以证明（参见例5-1），在进行热传导计算时，只要导热系数随温度呈线性关系，则可以取固体两侧面温度下k的算术平均值或两侧面算术平均温度下的k作为物体的平均导热系数。在以后的热传导计算中，一般都采用平均导热系数。

工程计算中常见物质的导热系数可从有关手册中查取。