热传递是通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现，在实际 的热传递过程中，这三种方式往往不是单独进行的。
三、无机材料的热传导
[1] 相关概念
固体材料中，垂直于x轴方向的截面积为ΔS，沿x 轴方向的温度变化率为dT/dx，在Δt时间内沿x轴方 向传过的的热量为ΔQ，则有
Q dT St
dx
712.3 364.5 301.7
熔点(oC)
3500 1415 232
l(×10-6)
2.5 3.5 5.3
二、无机材料的热膨胀
[3]热膨胀与其它材料性质的关系
[A] 化 学 键 型 [B] 结合能、熔点
1、受热→晶格振动加剧→引 起体积膨胀(l )
2、热容是升高单位温度所需 要的能量
两者具有相似的规律
理想气体的导热公式为 1 Cvl
3
式中，Ｃ为气体容积热容，v为气体分子的平均速度，l为气体分子的平
均自由度。
参考气体热传导是气体分子（质点）碰撞的结果，可以建立 相应的声子碰撞的数学表达式。
对于晶体来说，Ｃ是声子的热容，v为声子的速度，l为声子
的平均自由度。 C在高温时，接近常数，在低温时它随T3变化；声速v 为一常
撞频率越高，则声子的平
均自由程越短，热导率越
小。
1 Cvl
3
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理 (2) 声子散射机构—点缺陷的散射 散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。
[2] 声子的热传导机理 (1) 声子散射机构—声子的碰撞过程
q1 ，q2相当大时，Kn 0， 碰撞后，发生方向反转，从 而破坏了热流方向产生较大 的热阻。
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理
(1) 声子散射机构—声子的碰撞过程
１
声子碰撞的几率：
３
exp(-D/2T)
２
即温度越高，声子间的碰
二、无机材料的热膨胀
[3]热膨胀与其它材料性质的关系
[A] 化 学 键 型 [B] 结合能、熔点
结合力强，势能曲线深而狭窄，升 高同样的温度，质点振幅增加的较 少，热膨胀系数小。
[C单]质温材度料、热容 ro
(10-10m)
金刚石
1.54
[D] 晶硅 体 结 构2.35
锡
5.3
结合能 ×103J/mol
三、无机材料的热传导
热传递的三种方式
热传导：由于大量分子、原子等相互碰撞，使物体的内能从温 度较高部分传至较低部分的过程。热传导是固体热传递的主要 方式。
对流：靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低 部分的过程。对流是液体和气体热传递的主要方式。
热辐射：指受热物体以电磁辐射的形式向外界发射并传送能量 的过程。物体温度越高，辐射越强。
无机材料物理性能
主讲教师：李志成
Materials Chemistry School of Materials Science & Engineering Central South University
无机材料的热学性能
无机材料的热容 无机材料的热膨胀 无机材料的热传导 无机材料的热稳定性
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理
根据量子理论，晶格振动的能量是量子化的，晶格振 动的“量子”常称为“声子”。
这样，把晶格振动的格波与物质的相互作用就可理解 为声子与物质的碰撞。 格波在晶体中的散射过程就可理解为声子与声子、声 子与晶界、声子与点缺陷的碰撞过程。
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理
晶体的各向异性，各层间的 结合力不同引起热膨胀不同
三、无机材料的热传导
不同的陶瓷材料在导热性能上可以有很大的差别（绝 热体、导热体）。
同一物体中，不同区域温度，内能不同，热运动激烈 程度也不同，将会发生热的传输、能量转移。
在热能工程、制热技术、工业炉窑设计、工件加热与 冷却、汽轮机叶片散热、航天器隔热、电子元器件的 隔热与散热等一系列技术领域中，材料的导热性能都 是一个重要的问题。
r0
二、无机材料的热膨胀
[3]热膨胀与其它材料性质的关系
[A] 化 学 键 型 [B] 结合能、熔点
势能曲线的不对称程度越高，热膨胀越 大。离子键势能曲线的对称性比共键键 的势能曲线差，所以随着物质中离子键 性的增加，膨胀系数也增加。
[C] 温度、热容
另一方面，化学键的键强越大，膨胀系 数越小。
[D] 晶 体 结 构
光的散射
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理 (1) 声子散射机构—声子的碰撞过程
ħ q1 + ħ q2 =ħ q3+ħKn
或 ħ q1 + ħ q2－ ħKn =ħ q3
当 Kn =0
１ ３
形成新声子的动量方向和原来
两个声子的方向相一致，此时
２
无多大的热阻。 （理想状态）
三、无机材料的热传导
数。主要讨论影响声子的自由程 l 的因素。
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理 (1) 声子散射机构—声子的碰撞过程
散射（Scattering）： 分子或原 子相互接近时，由于双方具有 很强的相互斥力，迫使它们在 接触前就偏离了原来的运动方 向而分开，这通常称为“散 射”。散射是指由传播介质的 不均匀性引起的传播方向改变、 向不同方向进行的现象。
[C] 温度、热容 [D] 晶 体 结 构

ห้องสมุดไป่ตู้
l

T /oC
两者具有相近的变化趋势
二、无机材料的热膨胀
[3]热膨胀与其它材料性质的关系
[A] 化 学 键 型
[B] 结合能、熔点 [C] 温度、热容 [D] 晶 体 结 构
温度变化时发生晶相转变， 引起体积膨胀。
结构紧密的固体，膨胀系数 大，反之，膨胀系数小。
式中，λ为比例常数（热导率），dT/dx为x方向上的温度梯度，负号表 示传递的热量与温度梯度具有相反的符号。
热导率的物理意义：单位时间内通过单位横截面积的 热量，单位W/(m·K)或J/(m·s·K)
三、无机材料的热传导
[1] 相关概念
气体：分子碰撞实现传热 金属：主要以自由电子运动实现传热 非金属：主要以晶格振动传热
难点与重点：热容及其量子理论模型， 热膨胀机理及影响热膨胀的因素， 热传导与声子，影响热传导的因素。
二、无机材料的热膨胀
[2] 热膨胀机理
热膨胀的本质是点阵结构 中的质点间平均距离的变 化。
用非简谐振动理论解释热
r0
膨胀机理。利用在相邻原
子之间存在非简谐力时，
实际原子间的作用力并不
简单与位移成正比。