導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱是依靠材料中的電子、原子、分子和晶格熱運(yùn)動來傳遞熱量 。但材料性質(zhì)不同，其主要導(dǎo)熱機(jī)理不同，效果也不一樣。一般來說，金屬的熱導(dǎo)率大于非金屬，純金屬熱導(dǎo)率大于合金。物質(zhì)三態(tài)中，固態(tài)熱導(dǎo)率最大，液態(tài)次之，氣態(tài)最小。例如：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃時的冰、水和水蒸氣的熱導(dǎo)率分別為2.22W/（m·K）、0.55W/（m?K）和0.183W/（m?K）。

金屬導(dǎo)熱主要依靠自由電子的熱運(yùn)動，導(dǎo)電性能好的金屬材料其熱導(dǎo)率也大。金屬熱導(dǎo)率范圍在2.3~420W/（m?K），銀是420W/（m·K）。但純金屬內(nèi)加入其他元素成為合金后，由于這些元素的嵌入，嚴(yán)重阻礙自由電子的運(yùn)動，使熱導(dǎo)率大大下降。例如純銅的λ=398W/（m?K），加人30%的鋅后純銅變成黃銅，λ僅為109W（m?K）。

非金屬材料導(dǎo)熱主要依靠晶格結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生彈性波的方式來傳遞能量。物理學(xué)中稱它為聲子傳遞能量。在傳遞過程中，若存在聲子散射的因素，如晶體缺隙、裂紋，熱導(dǎo)率會顯著下降。液體的熱導(dǎo)率在0.07－0.7W/（m?K）的范圍內(nèi)，液體的導(dǎo)熱機(jī)理比較復(fù)雜。氣體的導(dǎo)熱是依靠分子熱運(yùn)動，高溫區(qū)分子的速度高于低溫區(qū)，通過分子碰撞把能量傳給低溫區(qū)分子。氣體熱導(dǎo)率在0.006－0.7W/（m?K）范圍。氣體分子對熱導(dǎo)率影響較大，分子量越小、重量越輕、運(yùn)動速度越快，熱導(dǎo)率就越大。電廠發(fā)電機(jī)采用氫氣冷卻代替空氣冷卻，冷卻效果較好就是這個道理。

溫度升高時，純金屬內(nèi)電子和晶格熱運(yùn)動都同時加劇，結(jié)果使在純金屬導(dǎo)熱過程中起主要作用的自由電子定向穿梭運(yùn)動受阻。因此隨著溫度的升高，純金屬熱導(dǎo)率反而減小。非金屬導(dǎo)熱主要是依靠原子、分子和晶格的振動，溫度升高、振動加劇，熱導(dǎo)率跟著升自高。氣體導(dǎo)熱主要依靠分子熱運(yùn)動，溫度升高，熱運(yùn)動加快，熱導(dǎo)率隨之上升。由上可知，熱導(dǎo)率是溫度的函數(shù)。如圖3所示給出了一些材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系趨勢。這一關(guān)系一般可近似表達(dá)為：

λ=λ0（1 bt）

其中λ0為0℃時的熱導(dǎo)率值，W/（m·K）；b為熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系比例系數(shù)，b>0時熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大，b<0時熱導(dǎo)率隨溫度升高而減小，b=0時熱導(dǎo)率是常數(shù)；t為攝氏溫度，℃。

在建筑、熱能、深冷技術(shù)中經(jīng)常使用絕熱或保溫材料。它們大都是多孔材料，孔中儲有導(dǎo)熱能力很差的空氣，所以能起到隔熱和保溫作用。而且它們都是不連續(xù)體，熱量傳遞既有固體骨架和空氣的導(dǎo)熱，還有空氣對流，甚至輻射作用。匚程上把這種復(fù)合傳熱所折合的熱導(dǎo)率稱為表觀熱導(dǎo)率。表觀熱導(dǎo)率除受材料成分、壓力、溫度影響外，還受材料密度和含濕量的影響。密度越小，材料內(nèi)小空隙越多，表觀熱導(dǎo)率就越小。但密度小到一定程度時，說明內(nèi)部空隙增大或者已互相連通，引起內(nèi)部空氣對流，傳熱增強(qiáng)，表觀熱導(dǎo)率反而增加。另一方面保溫材料中的孔隙容易吸附水分，水分在溫度梯度作用下的蒸發(fā)和遷移，使表觀熱導(dǎo)率大為增加。例如，常溫下干的紅磚表觀熱導(dǎo)率為0.46W/（m?K），而濕的紅磚表觀熱導(dǎo)率達(dá)0.86W/（m?K）。

式中：A為熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，反映材料本身導(dǎo)熱能力大小的物性參數(shù)，W/（m?K）；

從微觀角度看，導(dǎo)熱是依靠組成物質(zhì)的微粒的熱運(yùn)動傳遞熱量的。溫度較高時有較高的能量。這些微粒和低溫部分較低能量的微粒相互作用（碰撤、擴(kuò)散等）就形成了導(dǎo)熱。正是原子和分子的這些運(yùn)動維持著熱傳導(dǎo)的進(jìn)行?？梢哉J(rèn)為，熱傳導(dǎo)是由于物質(zhì)粒子間的相互作用而導(dǎo)致的從高能級粒子向低能級粒子的能量傳輸。

用熱力學(xué)中所熟惡的概念來研究一種氣體中的熱傳導(dǎo)，就很容易解釋這種傳熱方式的物理機(jī)理。試考察一種內(nèi)部存在溫度梯度，但沒有宏觀運(yùn)動的氣體，這種氣體充滿了保持不同溫度的兩個表面之間的空間。把任一點(diǎn)的溫度與該點(diǎn)附近氣體分子所具有的能量聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)分子的能量與分子的隨機(jī)運(yùn)動有關(guān)，也與分子內(nèi)部的自旋及振動有關(guān)。且溫度高的分子所具有的分子能量也大。由于分子之間經(jīng)常不斷地發(fā)生碰撞，所以當(dāng)鄰近的分子相撞時，能量大的分子就必然把能量傳遞給能量較小的分子。因此，存在溫度梯度的情況下，在沿溫度降低的方向上必然產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。圖2清楚地表示了這個傳熱過程。由于分子的隨機(jī)運(yùn)動，有些分子將不斷地從上方和下方穿過假想的平面

在液體中的熱傳導(dǎo)情況也一樣，不過其分子間距離更小、分子的相互作用更強(qiáng)，也更頻繁罷了。同樣地，固體中的熱傳導(dǎo)也可以歸之于體現(xiàn)為晶格振動形式的分子運(yùn)動。一種現(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為：固體中的能量傳遞歸之于由原子運(yùn)動引起的晶格運(yùn)動。非導(dǎo)體完全靠這種晶格波動來傳遞能量；而在導(dǎo)體中，還存在自由電子遷移引起的能量傳遞。

材料對熱流傳遞的能力或阻力?？捎脤?dǎo)熱系數(shù)、“熱阻”等指標(biāo)描述。在絕熱和保暖方面考察其對熱流的傳遞阻力。由于纖維中大分子取向及其大分子結(jié)構(gòu)的各向異性，纖維的導(dǎo)熱性也具有各向異性特性。熱流沿纖維徑向傳遞阻力比沿纖維軸向傳遞的阻力大3~42倍。 2100433B

氣體導(dǎo)熱性是當(dāng)氣體沿某個方向n存在著溫度梯度時，熱量就會由溫度高的地方傳向溫度低的地方，這種性質(zhì)稱為氣體的導(dǎo)熱性。單位時間內(nèi)通過垂直于n方向的單位面積所傳遞的熱量q按傅里葉導(dǎo)熱定理確定。

氣體中熱傳導(dǎo)的物理本質(zhì)與黏性類似。高溫層內(nèi)的氣體分子的平均動能較大，低溫層內(nèi)的氣體分子的平均動能較小，由于分子無規(guī)則的熱運(yùn)動，高溫層內(nèi)的分子與低溫層內(nèi)的分子相互碰撞，相互摻合，從熱層到冷層，進(jìn)行熱量的傳遞。