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
➢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;总的结果是热由高温传到低温。
热流密度
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。
反映了材料的导热能力。
Q dT St
dx
称为热导率
热扩散率（导温系数）
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。 反映了材料上各点的温度随
T 2T t cp x2
cp
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 热流密度
材料的热导率
非稳态法
测试时间长，热损失大
如何控制热流密度 难度较大
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
材料的比热容 材料的密度
材料的热导率
测量速度快，热 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
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 非晶体
晶体的导热系数
低温时，随温度升高，l 值上升，
λ
其上限为晶粒尺寸大小；
当温度达到一定值时，随温度
升高，l 值下降，其下限为几个
O
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
➢ 热电动力堆、锅炉的效率
➢ 航空、航天工业
梯度功能材料
➢ 电子信息工业
小结
基本概念
导热系数、导温系数、傅里叶定律
物理机制
自由电子热导、声子热导、光子热导
影响因素
温度、化学组分、晶体结构、原子序数、气孔率等
魏德曼-弗兰兹定律
导热系数与电导率的关系
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。
黑体辐射的能量：
ET
4n2T 4
c
则热容为
CV
E 16n2T 3
T
c
于是，辐射导热系数
r
16
3
n2
T 3
lr
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
➢ 透明度
对辐射线透明者， l大r ，热阻小；
单晶、玻璃 773 — 1273 K
对辐射线不透明者， l小r ，热阻大；
陶瓷
1773 K以上
对辐射线完全不透明者， lr= 0，热阻小， 辐射传热就可忽略。
➢ 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 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。
T
晶格间距；
晶体导热系数曲线的一般形式
高温时，随温度升高，l 值基本 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
非晶体导热系数曲线
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。
杂质含量越低，杂质含量对热导率的影响越显著； 温度越低，杂质含量对热导率的影响也越显著。
分子量、密度和弹性模量的影响
密度越小，导热系数越大；
压缩系数越小或杨氏模量越大，导热系数越大；
原子量越小，导热系数越大；
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。
时间变化的快慢。
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
Q St T
x
当板材厚度为无限小时，有
dQ S dT
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
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 的散射几率增加，平均自由程减小，热导率减小。
➢溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大，以及 固溶后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。
MgO - NiO 固溶体的热导率
1 3
ceele
声子的导热系数
1 3
c p
plp
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
热阻
缺陷、杂质以及晶粒间的界面
声子的振动频率 ω l
取决于自由行程
温度
Tl
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）。
自由电子导热机理
1 3
CV
l
金属中导热的主要机制
自由电子间的相互作用或碰撞。
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
λ
➢ 很低温度
总的
随温度线性呈线性变化
➢ 中等温度
电子部分
不随温度变化而变化
O
T ➢ 很高温度
金属导热系数的理论曲线
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” 声子的能量：h
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：
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。
热导率与热扩散率
热导率（导热系数）
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) ➢ 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)
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
光子的自由行程 lr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
第三节 材料的热传导
顾修全
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
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 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。
热流仪工作原理图
材料的热导率
地址：材料学院A306室
热流仪
试样尺寸：30 mm×30 mm 厚度：1 mm ~ 20 cm
导热系数范围： 0.005 ~ 0.50 W/m ·K
应用举例：
微孔绝热材料 乙丙橡胶泡沫 膨胀聚苯乙烯
热导率的工程应用
➢ 保温墙体材料
➢ 隔热耐火材料的选用
➢ 核反应堆中，燃烧元件的最高反应温度
晶格振动
格波