[科普中国]-热扩散率

简介

热扩散率又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力；相当于物体的蓄热能力，而分子为热导率，故两者之比反映了物质热量扩散的能力。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。

热导率只说明物体传导热量速度快慢，虽然水的γ是空气的22.8倍，但空气的Cv只是水的1/3483，所以，同体积的空气比水增温快得多。表征物体增温快慢的物理量是热扩散系数K，也称导温率。1

公式热扩散率是指在一定的热量得失情况下，物体温度变化快慢的一个物理量，它的大小与物体的热导率λ成正比与物体的热容量Cv成反比，单位是m2/s.可用下式表示：

式中，K为热扩散率；γ为热导率；Cv为容积热容量。

物体的热扩散率越大，表明热量由物体表面向深层或者由深层向物体表面的扩散的能力越强，温度变化所及深度越深，各深度的温度差消除越快物体的热扩散率越小，则反之。1

影响因素土壤在一定的热量得失的情况下，其温度的变化快慢可由土壤热扩散率来表示。由上式可知，凡影响土壤热导率和土壤热容量的因子都影响土壤热扩散率的大小，如土壤有机质的含量、土壤孔隙度的大小及土壤湿度等。但是，土壤热扩散率与土壤湿度的关系比较复杂，因为土壤水分含量的变化同时对土壤热导率和土壤热容量产生影响，因此土壤热扩散率与土壤湿度并非简单的线性关系。根据试验和观测表明，在土壤湿度较小的情况下，随着土壤湿度的增大土壤热扩散率增加，但当土壤湿度超过一定数值以后，因热导率的增加不显著，而热容量仍随湿度线性增加，所以土壤热扩散率反而下降了。1

应用对于热扩散率大的土壤，如湿润的黏土，白天，当有太阳辐射能的收人时，它可以很快地将表层得到的热量传递到土壤深层，这样土壤表层温度就不会过高；夜间，当土壤表面由于地面有效辐射失去热量时，它又可以把土壤深层的热量很快传递到土壤表层来，使土壤表层的夜间温度不致太低。因此这种土壤的地面温度不易出现极端值，即白天地温过高，夜间地温又过低。这对作物的生长是非常有利的。相反，如果土壤的热扩散率很小，如干燥的泥炭土，白天，它不易将地表的热量迅速传递到土壤深层，使白天地表温度过高，夜间，它又不易将土壤深层的热量传递到土壤表面，致使夜间地表面温度过低。所以这种土壤很容易出现极端温度，使生长在它上面的作物极易受到冻害或热害的威胁。1

测量方法热扩散率的测量采用非稳态法，常用激光脉冲法。仪器的测量原理是：在一个四周绝热的薄圆片试样的正面，辐照一束垂直于试样正面的均匀的激光脉冲，试样被单面加热，测出在一维热流条件下试样背面的温升曲线，计算求得热扩散率值。2