第四讲 材料的热传导.ppt

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 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？ 热辐射的特点 热导率与热扩散率 傅里叶定律 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 2. 热传导的物理机制（微观机制） 材料的传热机理 分子导热机理 自由电子导热机理 自由电子导热与温度的关系 声子和声子热导 声子的平均自由程 光子导热机理 光子导热的定性解释 光子的平均自由程 第三节 材料的热传导 3. 魏德曼-弗兰兹定律 第三节 材料的热传导 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) 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 晶体的导热系数 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 晶体与非晶体导热系数曲线比较 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 结构复杂程度对导热系数的影响 单晶体和多晶体的热导率变化情况 气孔率对热导率的影响 化学成分和杂质的影响 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 MgO - NiO 固溶体的热导率 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 第三节 材料的热传导 5. 热导率的测量 稳态法 非稳态法 热流仪（德国耐驰公司） 热流仪 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 小结 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。 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 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。 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 晶体 非晶体 λ O T 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