课件：第八章材料的热学性能.ppt

热导率λ符号解释 负号表示传递的热量ΔQ与温度梯度dT/dx具有相反的符号，即 dT/dx0，Q0，热量沿x轴正方向传递； dT/dx0，Q0，热量沿x轴负方向传递。 傅立叶定律 只适用于稳定传热的条件，亦即传热过程中，材料在x方向上各处的温度T是恒定的，与时间无关， ΔQ/ Δt为常数。 3、热扩散率 式中，α为热扩散率，λ为热导率；ρ为密度；cp为定压热容。 α也称为导温系数（热扩散率），表征材料在温度变化时（加热或冷却过程中），内部各部分温度趋于均匀的能力。 4、热阻率 合金固溶体的热阻： 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，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，热振动能量就增加，热量就能转移和传递 。 固体中能量的载体 固体的导热 根据不同导热机制的贡献，可以把固体材料的热导率写成：λ=λe+ λl 式中，λe为电子的热导率；λl为声子的热导率。 理想气体导热公式： 式中，c气体热容， υ是气体平均速度， l是气体分子的平均自由程。 借用气体导热公式，来近似描述固体材料中电子、声子和光子的导热机制，则有 ： 式中，带脚标j的参数表示不同载体类型的相应物理量。 电子导热率： 金属中电子热导率和声子热导率之比 （一）电子热导 （二）声子热导 1.声子导热机理 不同物质或同一物质的处于不同状态，导热性是不同的，但它们都取决于微观粒子的碰撞几率。 声子热阻碰撞来源于晶格振动的非简谐振动。 声子的导热公式： 式中， 热容C和声子的平均自由程l是声子振动频率v的函数。 （1）声子 一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能是取量子能量的整数倍 晶格振动中的能量是量子化的 声频波的“量子”称为“声子” ，能量是hυ (2) 晶体材料 晶体热传导是声子碰撞的结果 声子间的碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源； 晶格热振动是非线性的，格波间有一定的耦合作用； 格波间相互作用愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低 （三）光子导热 1.光子导热产生的原因 光子热导概念 固体具有能量→辐射出电磁波→（热辐射）光子的导热 温度T时黑体单位容积的辐射能为： 式中：σ是斯蒂芬－波尔兹曼常数（5.67×10－8w/m2·K4)， n 是折射率，υ是光速（3×1010m/s）。 黑体：能在任何温度下全部吸收外来电磁辐射而 毫无反射和透射的理想物体。 由于辐射传热中，光子的定容热容c相当于提高辐射温度所需的能量，所以： 光子的平均自由程 lr取决于材料对光的吸收系数，材料对光的吸收系数越小， lr越大，λr越大。 如果材料对光是不透明，则材料对光吸收系数大， lr很小近似为零，光子（辐射传热）导热可以忽略。如果材料对光是透明的，材料对光的吸收就很小，热阻很小， lr很大，λr很大。 2.光子导热发生的光波长范围 可见光范围：0.39- 0.76um； 红外线范围：0.76-400um 发生光子导热的波长：0.4－40um范围 光子导热的波长范围在可见光到近红外区域，在这个波长范围内的辐射线有较强的热效应，这部分辐射线称为热射线。 热射线：波长在0.4－40um范围射线。热射线传递过程是热辐射。 三 影响材料热传导性能的因素 金属材料当其温度超过一定值后．热导率随温度的升高而下降。 1.温度的影响 热容Cv在低温下与温度的3次方成正比，随着温度的升高，λ迅速增加； 低温处(约40 K)λ值出现了极大值； 在德拜温度以后，Cv已趋于一恒定值，而l值因温度升高而减小,λ随温度升高而迅速减小。 晶体材料，在常用温度范围热导率随温度的上升而下降。 2 晶体结构的影响 晶体结构愈复杂，热导率愈低：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大， 格波受到的散射愈大，声子平均自由程愈小，热导率愈低。 各向异性晶体的热导率：非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性， 温度升高时，晶体结构的对称性提高， 不同方向的热导率差异减小，对于同一种材料，非晶体的热导率总是比单晶体小。 同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小； 非晶态材料的热导率较小。 非晶态材料的热导率小，随温度的升高，热导率稍有增大，这是因为非晶态为近程有序远程无序结构，近似地看成晶粒很小的晶体，因此其声子平均自由程近似为常数，即为n个晶格常数，而这个数值是晶体中声子平均自由程的下限，所以热导率较小。 石英 石英玻璃 3