第四讲-材料的热传导.ppt

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1、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？固体材料在温度梯度的作用下，热量从热端自动传向冷端。材料的热传导稳定传热过程非稳定传热过程热量传递的几种途径：热传导、热辐射、热对流。热传导热对流热辐射热传导物质内部或相互接触的物质之间的传热方式，物质并不作相对运动

2、，只是热运动能量借助格波或电子从高温区传向低温区。热传导是固体传热的主要方式。热对流是流体传热的主要方式。物体之间或流体内部，通过流体的相对流动，把能量从高温区带到低温区。热辐射任何具有一定温度的物体都在不停地向外部辐射电磁波，借助电磁波将能量从一个物体传送到另一个物体，这种传递热量的方式称为热辐射。在高温和真空条件下，物体不相互接触时，热辐射是传热的主要方式。几种基本的传热方式比较热辐射的特点可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量。无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的

3、结果是热由高温传到低温。在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。物体热力学能电磁波能物体热力学能热传导的特点与机理1.导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移2.导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。表征物体温度变化的速率，越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。单位温度梯度下，单位时间通过单位截面积的热量。其倒数称为热阻率。热导率与热扩散率热导率（导热系数）热扩散率（导温系数）热流密度反映了材料的导热能力。反映了材料上各点的温度随

4、时间变化的快慢。傅里叶定律当板材厚度为无限小时，有1822年，法国科学家傅里叶提出傅里叶定律：热流密度正比与温度梯度。注意：傅里叶定律只适用于稳态热传导。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2.热传导的物理机制（微观机制）气体传热的机理是什么？固体传热的机理是什么？热量依靠什么进行转移和传递？分子碰撞晶格振动（声子）自由电子运动格波声频支光频支晶格振动声子材料的传热机理分子导热机理电子导热机理声子导热机理光子导热机理气体金属

5、、半导体金属、半导体、绝缘体固体高温条件下格波声频支光频支固体的传热声子热传导光子热传导自由电子热传导声频支光频支分子导热机理气体分子相互作用或碰撞引起的结果。自由电子导热机理自由电子间的相互作用或碰撞。金属中导热的主要机制低温下声子导热对金属的贡献将略有增大。自由电子导热与温度的关系金属导热系数的理论曲线λOT总的电子部分很低温度中等温度很高温度随温度线性呈线性变化不随温度变化而变化随温度增加略有减小声子和声子热导声子：晶格振动的“量子”声子的运动：格波的传播过程热传导过程：声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子的能量：类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶

6、体热传导是声子碰撞的结果。固体材料的导热是电子、声子和光子导热共同作用的结果，有电子的导热系数声子的导热系数角标j表示不同载体类型的相应物理量。声子的平均自由程影响因素：格波间的相互作用声子与声子之间的碰撞缺陷、杂质以及晶粒间的界面声子的振动频率温度热阻取决于自由行程ωlTl光子导热机理固体中分子、原子、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强热效应的波长在0.4～40μm间（相当于红外、近红外光区）。热传导过程类似于光在介质中传播的现象。例如，太阳光、白炽灯、火把等。黑体辐射的能量：则热容为于是，辐射导热系数光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。黑体：能全部吸收投射到其

7、表面辐射能的物体。特点：具有最强的辐射和吸收能力。光子导热的定性解释任何黑体都会辐射出能量，也会接受能量。温度高的单元体中，放出的能量多，而吸收的能量少；而温度低的单元体中，放出的能量少，而吸收的能量多。结果，热量从高温处流向了低温处。光子的平均自由程它的影响因素：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