材料的熱傳導(dǎo)課件

中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)

顧修全中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)本章內(nèi)容熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性本章內(nèi)容熱容第四講材料的熱傳導(dǎo)課件思考題為什么坐在火爐旁能夠感受到熱？為什么曬太陽能夠取暖？熱量能否在真空中傳遞？保溫材料通常具有什么樣的結(jié)構(gòu)？思考題為什么坐在火爐旁能夠感受到熱？第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律物理機(jī)制魏德曼-弗蘭茲定律影響因素?zé)釋?dǎo)率的測量第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律1.基本概念和定律

溫度梯度、熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）、熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）、熱阻；穩(wěn)定傳熱過程、不穩(wěn)定傳熱過程；傅里葉定律1.基本概念和定律溫度梯度、熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）、熱擴(kuò)什么是熱傳導(dǎo)？

固體材料在溫度梯度的作用下，熱量從熱端自動(dòng)傳向冷端。材料的熱傳導(dǎo)

穩(wěn)定傳熱過程

非穩(wěn)定傳熱過程什么是熱傳導(dǎo)？固體材料在溫度梯度的作用下，熱量熱量傳遞的幾種途徑：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射熱量傳遞的幾種途徑：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。熱傳導(dǎo)熱對流熱輻熱傳導(dǎo)物質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物質(zhì)之間的傳熱方式，物質(zhì)并不作相對運(yùn)動(dòng)，只是熱運(yùn)動(dòng)能量借助格波或電子從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。熱傳導(dǎo)是固體傳熱的主要方式。熱對流是流體傳熱的主要方式。物體之間或流體內(nèi)部，通過流體的相對流動(dòng)，把能量從高溫區(qū)帶到低溫區(qū)。熱輻射任何具有一定溫度的物體都在不停地向外部輻射電磁波，借助電磁波將能量從一個(gè)物體傳送到另一個(gè)物體，這種傳遞熱量的方式稱為熱輻射。在高溫和真空條件下，物體不相互接觸時(shí)，熱輻射是傳熱的主要方式。幾種基本的傳熱方式比較熱傳導(dǎo)物質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物質(zhì)之間的傳熱方式，物質(zhì)并不作相對熱輻射的特點(diǎn)可以不需要冷熱物體的直接接觸。即不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量。無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。物體熱力學(xué)能電磁波能物體熱力學(xué)能熱輻射的特點(diǎn)可以不需要冷熱物體的直接接觸。即不需要介質(zhì)的存在熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)與機(jī)理1.導(dǎo)熱的特點(diǎn)必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移2.導(dǎo)熱機(jī)理

氣體：氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)。非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。液體：很復(fù)雜。熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)與機(jī)理1.導(dǎo)熱的特點(diǎn)2.導(dǎo)熱機(jī)理

表征物體溫度變化的速率，越大的材料各處溫度變化越快，溫差越小，達(dá)到溫度一致的時(shí)間越短。

單位溫度梯度下，單位時(shí)間通過單位截面積的熱量。其倒數(shù)稱為熱阻率。熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率

熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）反映了材料的導(dǎo)熱能力。反映了材料上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的快慢。表征物體溫度變化的速率，越大的材料各處溫度中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院傅里葉定律當(dāng)板材厚度為無限小時(shí)，有1822年，法國科學(xué)家傅里葉提出傅里葉定律：熱流密度正比與溫度梯度。注意：傅里葉定律只適用于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。傅里葉定律當(dāng)板材厚度為無限小時(shí)，有1822年，法國科學(xué)家傅里一些材料的導(dǎo)熱系數(shù)一些材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較一下傳熱學(xué)與電學(xué)中的一些物理量

熱導(dǎo)率電導(dǎo)率熱流密度電流密度熱阻電阻傅里葉定律歐姆定律溫度梯度電勢差比較一下傳熱學(xué)與電學(xué)中的一些物理量熱導(dǎo)率第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律物理機(jī)制魏德曼-弗蘭茲定律影響因素?zé)釋?dǎo)率的測量第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律2.熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制（微觀機(jī)制）

氣體傳熱的機(jī)理是什么？

固體傳熱的機(jī)理是什么？

熱量依靠什么進(jìn)行轉(zhuǎn)移和傳遞？分子碰撞晶格振動(dòng)

（聲子）自由電子運(yùn)動(dòng)格波聲頻支光頻支晶格振動(dòng)聲子2.熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制（微觀機(jī)制）氣體傳熱的機(jī)理是什么？材料的傳熱機(jī)理

分子導(dǎo)熱機(jī)理

電子導(dǎo)熱機(jī)理

聲子導(dǎo)熱機(jī)理

光子導(dǎo)熱機(jī)理氣體金屬、半導(dǎo)體金屬、半導(dǎo)體、絕緣體固體高溫條件下材料的傳熱機(jī)理分子導(dǎo)熱機(jī)理電子導(dǎo)熱機(jī)理聲子導(dǎo)熱機(jī)理光格波聲頻支光頻支固體的傳熱聲子熱傳導(dǎo)光子熱傳導(dǎo)自由電子熱傳導(dǎo)聲頻支光頻支格波聲頻支光頻支固體的傳熱聲子熱傳導(dǎo)光子熱傳導(dǎo)自由電子熱傳導(dǎo)分子導(dǎo)熱機(jī)理氣體分子相互作用或碰撞引起的結(jié)果。分子導(dǎo)熱機(jī)理氣體分子相互作用或碰撞引起的結(jié)果。自由電子導(dǎo)熱機(jī)理自由電子間的相互作用或碰撞。金屬中導(dǎo)熱的主要機(jī)制低溫下聲子導(dǎo)熱對金屬的貢獻(xiàn)將略有增大。自由電子導(dǎo)熱機(jī)理自由電子間的相互作用或碰撞。金屬中導(dǎo)熱的主要自由電子導(dǎo)熱與溫度的關(guān)系金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線λOT總的電子部分

很低溫度

中等溫度

很高溫度隨溫度線性呈線性變化不隨溫度變化而變化隨溫度增加略有減小自由電子導(dǎo)熱與溫度的關(guān)系金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線λOT總的電子聲子和聲子熱導(dǎo)聲子：晶格振動(dòng)的“量子”聲子的運(yùn)動(dòng)：格波的傳播過程熱傳導(dǎo)過程：聲子從高濃度區(qū)到低濃度區(qū)的擴(kuò)散過程。熱阻：聲子擴(kuò)散過程中的各種散射。聲子的能量：聲子和聲子熱導(dǎo)聲子：晶格振動(dòng)的“量子”聲子的運(yùn)動(dòng)：格波的傳播

類似于氣體熱傳導(dǎo)是分子碰撞的結(jié)果，晶體熱傳導(dǎo)是聲子碰撞的結(jié)果。

固體材料的導(dǎo)熱是電子、聲子和光子導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果，有電子的導(dǎo)熱系數(shù)聲子的導(dǎo)熱系數(shù)角標(biāo)j表示不同載體類型的相應(yīng)物理量。類似于氣體熱傳導(dǎo)是分子碰撞的結(jié)果，晶體熱聲子的平均自由程影響因素：

格波間的相互作用聲子與聲子之間的碰撞

缺陷、雜質(zhì)以及晶粒間的界面

聲子的振動(dòng)頻率

溫度熱阻取決于自由行程ωlTl聲子的平均自由程影響因素：格波間的相互作用聲子與聲子之間的光子導(dǎo)熱機(jī)理

固體中分子、原子、電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，會輻射出電磁波，具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的波長在0.4～40μm間（相當(dāng)于紅外、近紅外光區(qū)）。熱傳導(dǎo)過程類似于光在介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象。例如，太陽光、白熾燈、火把等。光子導(dǎo)熱機(jī)理固體中分子、原子、電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等熱傳黑體輻射的能量：則熱容為于是，輻射導(dǎo)熱系數(shù)光子導(dǎo)熱系數(shù)的大小主要決定于它的自由程。黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。特點(diǎn)：具有最強(qiáng)的輻射和吸收能力。黑體輻射的能量：則熱容為于是，輻射導(dǎo)熱系數(shù)光子導(dǎo)熱系數(shù)的大小光子導(dǎo)熱的定性解釋

任何黑體都會輻射出能量，也會接受能量。溫度高的單元體中，放出的能量多，而吸收的能量少；而溫度低的單元體中，放出的能量少，而吸收的能量多。結(jié)果，熱量從高溫處流向了低溫處。

光子導(dǎo)熱的定性解釋任何黑體都會輻射出能量，也會接光子的平均自由程它的影響因素：

透明度

吸收和散射

氣孔率光子的自由行程是影響光子傳導(dǎo)的主要因素。光子的平均自由程它的影響因素：透明度吸收和散射氣孔率光

透明度

對輻射線透明者，大，熱阻??；

對輻射線不透明者，小，熱阻大；

對輻射線完全不透明者，=0，熱阻小，輻射傳熱就可忽略。單晶、玻璃陶瓷773—1273K1773K以上透明度對輻射線透明者，大，熱阻??；對輻射線不透明

吸收和散射

透明材料：吸收系數(shù)小，在幾百攝氏度時(shí)，光輻射為主要傳熱形式；

不透明材料:吸收系數(shù)不大，即使在高溫下，光子傳熱也不是重要的。無機(jī)非金屬材料中，在1500℃以上，光子傳導(dǎo)才是主要的。吸收和散射透明材料：吸收系數(shù)小，在幾百攝氏度時(shí)，光輻射為

氣孔率

材料中存在的氣孔能使光發(fā)生散射，引起光子衰減，進(jìn)而導(dǎo)致光子的平均自由程和光子導(dǎo)熱系數(shù)減小。

大多數(shù)陶瓷材料具有一定的氣孔率，其光子導(dǎo)熱系數(shù)總是比玻璃和單晶體小得多，只有在1500℃以上的高溫，其光子導(dǎo)熱過程才開始起重要作用。氣孔率材料中存在的氣孔能使光發(fā)生散射，引起光第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律物理機(jī)制魏德曼-弗蘭茲定律影響因素?zé)釋?dǎo)率的測量第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律3.魏德曼-弗蘭茲定律洛倫茲數(shù)L

在T

>0℃的溫度下近似為常數(shù)。意義：通過測定電導(dǎo)率來確定金屬熱導(dǎo)率。

在室溫下許多金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率之比幾乎相同，且不隨金屬不同而改變。3.魏德曼-弗蘭茲定律洛倫茲數(shù)L在T>0℃的溫度下第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律物理機(jī)制魏德曼-弗蘭茲定律影響因素?zé)釋?dǎo)率的測量第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律幾種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)純銅：398W/(m·K)絲綢：0.363W/(m·K)棉花：0.0589W/(m·K)水：0.6W/(m·K)空氣：0.026W/(m·K)幾種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)純銅：398W/(m·K)4.熱導(dǎo)率的影響因素溫度的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響化學(xué)成分和雜質(zhì)的影響分子量、密度和彈性模量缺陷和顯微結(jié)構(gòu)的影響4.熱導(dǎo)率的影響因素溫度的影響溫度的影響

晶體

非晶體溫度的影響晶體非晶體晶體的導(dǎo)熱系數(shù)λOT

低溫時(shí)，隨溫度升高，l值上升，其上限為晶粒尺寸大?。?/p>

當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，隨溫度升高，l值下降，其下限為幾個(gè)晶格間距；

高溫時(shí)，隨溫度升高，l值基本上保持不變。晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線的一般形式晶體的導(dǎo)熱系數(shù)λOT低溫時(shí)，隨溫度升高，l值上升，當(dāng)溫幾種材料的1/l—T曲線幾種材料的1/l—T曲線氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度的變化氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度的變化非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線

中低溫，主要是聲子導(dǎo)熱。此時(shí)，溫度升高，熱容也升高，故導(dǎo)熱系數(shù)λ也升高。

中溫到較高溫度，熱容漸變?yōu)槌?shù)，故導(dǎo)熱系數(shù)λ接近常數(shù)。

高溫，聲子導(dǎo)熱變化仍不大，但光子的平均自由行程增大，導(dǎo)熱系數(shù)緩慢升高。非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線中低溫，主要是聲子導(dǎo)熱。晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線比較非晶體的自由行程在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)變化不大。晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線比較非晶體的自由行程在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)幾種晶態(tài)氧化物及玻璃態(tài)二氧化硅的1/lr-T曲線幾種晶態(tài)氧化物及玻璃態(tài)二氧化硅的1/lr-T曲線晶體結(jié)構(gòu)的影響

晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)越低

多晶體和單晶體的影響不同

氣孔對導(dǎo)熱系數(shù)的影響聲子或格波的散射加劇多晶體的熱導(dǎo)率較低，隨溫度升高其與單晶的差異變大氣孔率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)越低多晶體和單晶結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響單晶體和多晶體的熱導(dǎo)率變化情況單晶體和多晶體的熱導(dǎo)率變化情況氣孔率對熱導(dǎo)率的影響氣孔率增加氣孔率較大的材料具有較低的熱導(dǎo)率，因而適合用作保溫材料。氣孔率對熱導(dǎo)率的影響氣孔率增加氣孔率較大的材料具有較低的熱導(dǎo)化學(xué)成分和雜質(zhì)的影響

金屬材料

無機(jī)非金屬材料化學(xué)成分和雜質(zhì)的影響金屬材料無機(jī)非金屬材料金屬合金中加入雜質(zhì)元素將使導(dǎo)熱系數(shù)降低雜質(zhì)與基體的差異越大，對熱導(dǎo)率的影響越大基體導(dǎo)熱系數(shù)越高，合金元素對熱導(dǎo)率的影響越大晶粒越細(xì)小，導(dǎo)熱系數(shù)越低。金屬合金中加入雜質(zhì)元素將使導(dǎo)熱系數(shù)降低無機(jī)非金屬材料形成固溶體時(shí)，由于晶格畸變，缺陷增多，使聲子的散射幾率增加，平均自由程減小，熱導(dǎo)率減小。溶質(zhì)元素的質(zhì)量、大小與溶劑元素相差越大，以及固溶后結(jié)合力改變愈大，則對熱導(dǎo)率的影響愈大。無機(jī)非金屬材料形成固溶體時(shí)，由于晶格畸變，缺陷增多，使聲子溶MgO-NiO固溶體的熱導(dǎo)率雜質(zhì)含量越低，雜質(zhì)含量對熱導(dǎo)率的影響越顯著；溫度越低，雜質(zhì)含量對熱導(dǎo)率的影響也越顯著。MgO-NiO固溶體的熱導(dǎo)率雜質(zhì)含量越低，雜質(zhì)含量對分子量、密度和彈性模量的影響密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大；壓縮系數(shù)越小或楊氏模量越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大；原子量越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大；對于各向異性的物質(zhì)，熱膨脹系數(shù)較小的那個(gè)方向，導(dǎo)熱系數(shù)越大；反之，熱膨脹系數(shù)較大的那個(gè)方向，導(dǎo)熱系數(shù)則較小。分子量、密度和彈性模量的影響密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大；某些無機(jī)材料的熱導(dǎo)率石墨和BeO具有最高的熱導(dǎo)率；通常，低溫時(shí)有較高熱導(dǎo)率的材料，隨溫度升高，熱導(dǎo)率降低，而低熱導(dǎo)率的材料正好相反；玻璃體的熱導(dǎo)率隨溫度升高緩慢增大；某些建筑材料、粘土質(zhì)耐火磚及保溫磚，熱導(dǎo)率隨溫度升高線性增大。某些無機(jī)材料的熱導(dǎo)率石墨和BeO具有最高的熱導(dǎo)率；某些無機(jī)材料的熱導(dǎo)率Al2O3、BeO和MgO：玻璃體：某些建筑材料、耐火磚等：某些無機(jī)材料的熱導(dǎo)率Al2O3、BeO和MgO：玻璃體：某些將下列物質(zhì)按熱導(dǎo)率大小排序，并說明理由：（１）鉻（２）銀（３）Ni-Cr合金（４）石英（５）鐵將下列物質(zhì)按熱導(dǎo)率大小排序，并說明理由：第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律物理機(jī)制魏德曼-弗蘭茲定律影響因素?zé)釋?dǎo)率的測量第三節(jié)材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的基本概念和定律5.熱導(dǎo)率的測量