第五章 导热系数.pptVIP

量热技术和热物性测定 第五章 导热系数 第五章 导热系数 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量。早在1753年,Franklin 就提出不同物质具有不同接受和传递热量能力的概念,这正是热导率本质最原始的表述。1789 年, Ingen 和Hausz 首次建成测量固体热导率的稳态比较法实验装置。 第五章 导热系数 导热机理 研究物质热传导的方法有两种：宏观和微观。 所有物质的热传导，不论其处于何种状态，都是由于物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。但不同的物质以及所处的不同状态(气液固)，由于结构上的差别，导热的机理是不同的： 气体和液体：分子或原子的相互作用或碰撞。 介电物质：晶体点阵或者晶格振动。其能量是量子化的，称之为声子，其热传导可看成是声子的相互作用和碰撞。 金属晶体：主要是电子的相互作用和碰撞，声子有微小贡献。 第五章 导热系数 导热机理 热量传递速度以电子碰撞最快，其次为声子碰撞，分子原子碰撞最小。因此金属导体的导热系数较大，而介电体较小，液体更小，气体最小。 规律： 1.固体金属导热系数一般在十几至几百W/mK，与导电性能一样，随温度的增加而缓慢减小。 2.其它固体导热系数一般比金属小一两个数量级（石墨、金刚石除外）。 3.液体导热系数一般小于1W/mk，除水和甘油等，绝大多数随温度升高而减小。 第五章 导热系数 导热机理 4.大多数气体导热系数都小于0.1W/mk，一般随温度升高而增大。 5.一般来说，同一物质的导热系数，固态时大于液态，液态大于气态。 6.气液固导热机理虽不同，但都是不同微观粒子相互作用或碰撞的结果，因此数学表达式相同，差别只是物理量的涵义。 第五章 导热系数 分子导热机理 根据理想气体分子运动论，可以研究气体导热的机理并推导数学表达式。 第五章 导热系数 分子导热机理 根据理想气体分子运动论，可以研究气体导热的机理并推导数学表达式。 第五章 导热系数 分子导热机理 根据理想气体分子运动论，可以研究气体导热的机理并推导数学表达式。 第五章 导热系数 分子导热机理 根据理想气体分子运动论，可以研究气体导热的机理并推导数学表达式。 第五章 导热系数 电子导热机理 金属中自由电子不受束缚，所以电子间的相互作用和碰撞是金属导热的主要因素，声子导热一般可以忽略不计。但随着温度的降低声子导热的作用会增大。 和气体分子导热一样，电子导热贡献也可写为： Cv0：电子热容 第五章 导热系数 电子导热机理 电子热容Cv0与温度的关系 在不同的温度下，电子对定容热容的贡献是不同的： TΘe时， TΘe时， Θe为金属中自由电子的特征温度。一般温度下电子比热与温度成正比。 第五章 导热系数 电子导热机理 电子平均速度与温度的关系 电子的平均速度取决于电子的动能Ee： ε为特征能量，中等温度以下，kT/ ε非常小。因此电子动能决定的平均速度与温度无关。 第五章 导热系数 电子导热机理 电子平均自由程与温度的关系 电子的平均自由程l取决于自由电子的散射过程。如果金属晶格完整，则自由电子将毫无阻碍地运动，l值为无限。 但下列因素影响了晶格完整性： 1.格点上的原子由于热运动，离开了它们的平衡位置； 2.外来原子造成晶格畸变； 3.晶粒晶界和位错等的存在，引起晶格断裂。 中等温度下，原子热运动及其离开平衡位置的位移是造成电子散射的主要原因，随温度增加，影响增大，l减小。 第五章 导热系数 电子导热机理 电子平均自由程与温度的关系 中等温度下，原子热运动及其离开平衡位置的位移是造成电子散射的主要原因，随温度增加，影响增大，l减小。因此中等温度下T与l成反比。 很低温度时，热运动减弱，对电子散射作用减小。而位错和晶界等对电子散射作用增大。由于位错和晶界对给定的金属基本上是固定的，对电子散射过程的影响也是一定的，所以很低温度下电子的平均自由程是个常数。 第五章 导热系数 电子导热机理 电子导热与温度的关系 1.很低温度 平均运动速度与温度无关，可近似为常数；平均自由程近似为常数，电子热容与温度成正比。因此很低温度下电子导热随温度呈线性变化。 2.中等温度 平均运动速度仍近似为常数；平均自由程与温度反比，电子热容与温度成正比。因此中等温度下电子导热不随温度变化，接近常数。 第五章 导热系数 电子导热机理 电子导热与温度的关系 3.很高温度 平均运动速度正比与 。平均自由程与温度反比。电子热容接近常数。因此很高温度下电子导热随温度增加略下降。 第五章 导热系数 声子导热机理 非金属材料中，电子是被束缚的，不能成为导热载体。此时热能传递是靠晶格振动实现的。根据量子理论，晶格振动的能量是量子化的，通常把晶格振动的量子称为声子。把晶格振动的格波和物质的相互作