文档介绍：量热技术和热物性测定
第五章导热系数
2017/11/11
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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。
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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。
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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:
,与导电性能一样,随温度的增加而缓慢减小。
(石墨、金刚石除外)。
,除水和甘油等,绝大多数随温度升高而减小。
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导热机理
,一般随温度升高而增大。
,同一物质的导热系数,固态时大于液态,液态大于气态。
,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。
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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。
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l
T1>T>T2
I
II
x
假设在时间间隔dt内,通过面积元dF,由区域I到区域II和由区域II到区域I的分子数M是相同的,并有:
n:单位体积内的分子数
V:分子的平均运动速度
F
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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。
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l
T1>T>T2
I
II
x
每个分子所具有的能量为:
若沿与面积元dF垂直的x方向温度不同,T1>T>T2,则从I到II的分子比相反方向运动的分子输运更多的热能:
F
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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。
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T1>T>T2
I
II
x
而
有
根据比热理论有:
F
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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。
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T1>T>T2
I
II
x
得:
根据傅立叶定律
所以:
F
分子平均运动自由程
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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
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