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相比于其他介质材料,为什么一般金属的导热性会更好,你知道吗?

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。

热量的传导有三种方式:热传导、对流、辐射。材料的状态有气态、液态和固态,在气态和液态物质中热量传导主要依靠热传导和对流的方式;在固态物质中以热传导为主。只有在温度较高时,辐射才会成为主要的传热过程,这个过程有光子的参与。

那么为什么对于导热性而言,一般都是固态>液态>气态呢?

热传导是借助物质中的分子或原子振动以及自由电子的热运动来实现热量传递的。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。液体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

简单点说气体分子或者原子之间的距离是最大的;液体次之;固体最小。打个比方,就像踢足球一样,在同样一个大小的场地,场上的人越多,你越容易把球传出去,因为传球距离短了,周围的人多了嘛。同样的道理,当分子或者原子进行热运动时,在气体中不容易与其他分子相碰撞,能量就无法进行传递,这样的过程当然是与分子运动的平均自由程相关的;在液体中,碰撞变得容易了一些,所以导热系数一般比气体大了一些;再到固体中,大家等于是手牵着手了,原子振动就更容易进行传导,导热系数更大一些。"

那么不同种类的固体中,为什么一般金属的导热系数是相对更大的呢?

这要涉及到固体中的导热机制,在固体材料中热传导主要是靠晶格振动的格波(声子)来进行的。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,金属的独特之处在于,热传导既可以靠声子还可以靠电子,而且其实主要依靠电子来进行热传导,金属材料中,存在大量自由电子,这些电子质量更小,运动速度更快,能迅速进行热量传递。这并不是绝对的,例如,金刚石的热导率就明显高于普通金属(银、铜等),可能是自然界导热性最好的材料。


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