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
热导率 热流密度 电导率 电流密度
热阻
傅里叶定律
电阻
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？
分子碰撞

固体传热的机理是什么？
晶格振动
（声子）
自由电子运动

热量依靠什么进行转移和传递？
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
5. 热导率的测量
稳态法
在稳定导热状态测定试样热导率的方法
温度梯度 测试时间长，热损失大 如何控制热流密度 材料的热导率
热流密度
难度较大
非稳态法
在不稳定导热状态测量的方法
温度场随时间的变化 材料的导温系数 材料的热导率 测量速度快，热

非晶体
晶体的导热系数
λ 其上限为晶粒尺寸大小；
当温度达到一定值时，随温度
低温时，随温度升高，l 值上升，
升高，l 值下降，其下限为几个
O
T
晶格间距；
高温时，随温度升高，l 值基本
晶体导热系数曲线的一般形式
上保持不变。
几种材料的1/l—T曲线
氧化铝单晶的热导率随温度的变化
非晶体的导热系数
4n 2T 4 黑CV c T
于是，辐射导热系数
16 r n 2 T 3 lr 3
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
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。
材料的比热容 材料的密度
损失较小
热流仪（德国耐驰公司）

上下板的温度恒定 通过样品的温度梯度恒定

通过样品的热流恒定
热流仪工作原理图
材料的热导率
地址：材料学院A306室
热流仪
应用举例：
微孔绝热材料
乙丙橡胶泡沫
膨胀聚苯乙烯
试样尺寸：30 mm×30 mm 厚度：1 mm ~ 20 cm 导热系数范围：
光子的平均自由程
光子的自由行程 l r 是影响光子传导的主要因素。
它的影响因素：

透明度 吸收和散射 气孔率


透明度
对辐射线透明者， l r 大，热阻小； 单晶、玻璃
773 — 1273 K

对辐射线不透明者， l r 小，热阻大； 陶瓷
1773 K以上

对辐射线完全不透明者，l r = 0，热阻小， 辐射传热就可忽略。
晶格振动 格波 光频支 声频支 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、半导体 金属、半导体、绝缘体 固体高温条件下
声频支
格波
光频支 自由电子热传导
固体的传热
声子热传导 光子热传导
声频支 光频支
分子导热机理
1 CV l 3
几种基本的传热方式比较
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，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
取决于自由行程
T
l
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：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。
特点：具有最强的辐射和吸收能力。
金属导热系数的理论曲线
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
声子的能量：h
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。
类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶体热
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
丝绸：0.363 W/(m· K)
棉花：0.0589 W/(m· K)
水：
0.6 W/(m· K)
空气：0.026 W/(m· K)
4. 热导率的影响因素
温度的影响
晶体结构的影响 化学成分和杂质的影响 分子量、密度和弹性模量 缺陷和显微结构的影响
温度的影响

晶体
中低温，主要是声子导热。
此时，温度升高，热容也升 高，故导热系数λ也升高。
中温到较高温度，热容渐变
为常数，故导热系数λ接近 常数。 非晶体导热系数曲线
高温，声子导热变化仍不大，
但光子的平均自由行程增大， 导热系数缓慢升高。
晶体与非晶体导热系数曲线比较
非晶体的自由行程在整个温度区间内变化不大。
几种晶态氧化物及玻璃态二氧化硅的1/lr-T曲线
晶体结构的影响

晶体结构越复杂，导热系数越低
声子或格波的散射加剧

多晶体和单晶体的影响不同
多晶体的热导率较低，随温度升高其与单晶的差异变大

气孔对导热系数的影响
气孔率越大，导热系数越小
结构复杂程度对导热系数的影响
单晶体和多晶体的热导率变化情况
气孔率对热导率的影响


吸收和散射
透明材料：吸收系数小，在几百摄氏度时，光辐射为 主要传热形式； 不透明材料 : 吸收系数不大，即使在高温下，光子 传热也不是重要的。

无机非金属材料中，在1500 ℃以上，光子传导才是主要的。

气孔率
材料中存在的气孔能使光发生散射，引起光子
衰减，进而导致光子的平均自由程和光子导热系数
气孔率增加
气孔率较大的材料具有较低的热导率，因而适合用作 保温材料。
化学成分和杂质的影响

金属材料

无机非金属材料
金属
合金中加入杂质元素将使导热系数降低 杂质与基体的差异越大，对热导率的影响越大 基体导热系数越高，合金元素对热导率的影响 越大 晶粒越细小，导热系数越低。
无机非金属材料
形成固溶体时，由于晶格畸变，缺陷增多，使声子
LT
洛伦兹数L 在 T > 0℃的温度下近似为常数。
L 2.45108W K 2
意义：通过测定电导率来确定金属热导率。
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
几种物质的导热系数
纯铜：398 W/(m· K)
第三节 材料的热传导
中国矿业大学 材料科学与工程学院
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
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。
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。
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
中国矿业大学 材料科学与工程学院
中国矿业大学 材料科学与工程学院
傅里叶定律
1822年，法国科学家傅里叶提出
T Q St x
当板材厚度为无限小时，有
dQ dT S dt dx
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
减小。
大多数陶瓷材料具有一定的气孔率，其光子导热系数
总是比玻璃和单晶体小得多，只有在1500℃以上的高温，
其光子导热过程才开始起重要作用。
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
3. 魏德曼-弗兰兹定律
在室温下许多金属的热导率和电导率之比几乎相同， 且不随金属不同而改变。
对于各向异性的物质，热膨胀系数较小的那个 方向，导热系数越大；反之，热膨胀系数较大 的那个方向，导热系数则较小。
某些无机材料的热导率
石墨和BeO具有最高的热导率；
通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率
降低，而低热导率的材料正好相反；
玻璃体的热导率随温度升高缓慢增大；
某些建筑材料、粘土质耐火砖及保温砖，热导率随温度升
高线性增大。
某些无机材料的热导率
Al2O3、BeO和MgO：