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材料导热系数及其受影响因素

材料的导热系数

材料的传热特性由称为导热系数k(或 λ)的属性表征,单位为w/mk。它是衡量物质通过传导通过材料传递热量的能力的量度。请注意,傅立叶定律适用于所有物质,无论其状态如何(固体、液体或气体),因此,它也适用于液体和气体。

大多数液体和固体的导热系数随温度而变化。对于蒸汽,它还取决于压力。一般来说:    

导热系数计算公式

大多数固体材料是均质的,因此我们通常可以写为 k = k (t)。类似的定义与 y 和 z 方向的导热系数 (ky, kz) 相关,但对于各向同性材料,导热系数与传递方向无关,kx = ky = kz = k。

固体中的热能传输通常可能是由于两种因素影响:

· 自由电子的迁移

· 晶格振动波(声子)

当电子和声子携带热能在固体中进行热传导时,导热系数可以表示为:

k = ke  kph

金属的导热系数

金属是固体,因此它们具有晶体结构,其中离子(具有周围核心电子壳的原子核)在晶格中占据平移等效的位置。 金属通常具有高导电性、 高导热性和高密度。因此,热能的传输可能是由于两个影响:

· 自由电子的迁移

· 晶格振动波(声子)

当电子和声子携带热能在固体中进行热传导时,导热系数可以表示为:k = ke  kph

就其结构而言,金属的独特之处在于存在电荷载流子,特别是电子。金属的导电性和导热性源于它们的外层电子是离域的。它们对导热系数的贡献称为电子导热系数 ke。事实上,在金、银、铜和铝等纯金属中,与电子流动相关的热电流远远超过声子流动产生的一小部分贡献。相反,对于合金,kph对 k 的贡献不可以忽略不计


常见金属的导热系数
317 w/mk
429 w/mk
401 w/mk
237 w/mk
48 w/mk

非金属的导热系数

对于非金属固体,k 主要由 kph决定,它随着原子和晶格之间相互作用频率的降低而增加。事实上,晶格热传导是非金属的主要热传导机制,如果不是唯一的话。在固体中,原子围绕它们的平衡位置(晶格)振动。原子的振动不是相互独立的,而是与相邻原子强烈耦合。晶格排列的规律性对 kph有重要影响,对于晶体(有序)材料,如 石英具有比玻璃等无定形材料更高的导热系数。在足够高的温度下,kph ∝ 1/t。

晶体振动场的量子被称为“声子”。声子是凝聚态物质(如固体和某些液体)中原子或分子的周期性弹性排列中的集体激发。声子在凝聚态物质的许多物理特性中发挥着重要作用,例如导热系数和电导率。事实上,对于结晶的非金属固体,例如金刚石,kph值可能非常大,超过了铝等良导体相关的 k 值。特别是,金刚石在所有散装材料中具有最高的硬度和导热系数 (k = 1000 w/mk)。

液体和气体的导热系数

在物理学中,流体是在施加的剪切应力下不断变形(流动)的物质。 流体是物质相的一个子集,包括液体、气体、等离子体,在某种程度上还包括塑料固体。因为分子间的间距要大得多,并且分子的运动对于流体状态比对于固态更随机,所以热能传输的效率较低。因此,气体和液体的导热系数通常小于固体的导热系数。在液体中,热传导是由原子或分子扩散引起的。在气体中,热传导是由分子从高能级扩散到低能级引起的。

气体的导热系数

温度、压力和化学物质对气体导热系数的影响可以用气体动力学理论来解释 。在没有对流的情况下,空气和其他气体通常是良好的绝缘体。因此,许多绝缘材料(例如聚苯乙烯)仅通过具有大量防止大规模对流的充气袋来发挥作用。气泡和固体材料的交替导致热量必须通过许多界面传递,从而导致传热系数迅速下降。

气体的导热系数与气体的密度、平均分子速度成正比,特别是与分子的平均自由程成正比 。平均自由程还取决于分子的直径,大分子比小分子更容易发生碰撞,小分子是能量载体(分子)在发生碰撞之前行进的平均距离。轻质气体,例如氢气和氦气, 通常具有高导热性。氙气和二氯二氟甲烷等稠密气体的导热系数低。一般来说,气体的导热系数随着温度的升高而增加。


常见气体的导热系数
空气(干燥)
0.026
氩气 0.016
二氧化碳(气体) 0.0146
氦气 0.15
氢气 0.18
氪气 0.0088
甲烷(气) 0.03
氮气(气) 0.024
饱和蒸汽 0.0184
氙气 0.0184

液体的导热系数

如前所述,在液体中,热传导是由原子或分子扩散引起的,但解释液体导热系数的物理机制还没有被很好的理解。液体往往比气体具有更好的导热性,并且流动的能力使液体适合从机械部件中去除多余的热量。热量可以通过引导液体通过热交换器来去除。核反应堆中使用的冷却剂包括水或液态金属,例如钠或铅。非金属液体的导热系数一般随温度升高而降低。


常见液体的导热系数
醋酸(50% 20℃)
0.35
丙酮(30℃) 0.17
苯胺(0·20℃) 0.17
苯(30℃) 0.16
氯化钙盐水(30% 30℃) 0.55
乙醇(80% 20℃) 0.24
甘油(60% 20℃) 0.38
水银(28℃) 8.36
硫酸(90% 30℃) 0.36
水(30℃) 0.62

想了解导热系数怎么测试,有哪些测试方法吗?欢迎大家阅读:导热系数测试方法简介 

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