[科普中国]-导热性

基本概述

热传导简称导热。两个相互接触且温度不同的物体，或同物体的各不同温度部分间在不发生相对宏观位移的情况下所进行的热量传递过程称为导热。密实固体内部和静止流体中的热量传递都是纯导热在起作用。导热部分参与了在运动流体中的热量传递。设有如图所示的一块大平壁，左右两侧分别保持均匀恒定温度和，且>，平壁厚度为，侧面积为A，则单位时间内从左向右的导热量为中，与平壁两侧温差及侧面积成正比，与平壁厚度成反比，还与平壁材料性质有关1。用公式可表示为

式中：A为热导率或导热系数，反映材料本身导热能力大小的物性参数，W/（m▪K）；为温差成温压，表示平壁中热量流动驱动力的大小，K。

从微观角度看，导热是依靠组成物质的微粒的热运动传递热量的。温度较高时有较高的能量。这些微粒和低温部分较低能量的微粒相互作用（碰撤、扩散等）就形成了导热。正是原子和分子的这些运动维持着热传导的进行。可以认为，热传导是由于物质粒子间的相互作用而导致的从高能级粒子向低能级粒子的能量传输。

用热力学中所熟恶的概念来研究一种气体中的热传导，就很容易解释这种传热方式的物理机理。试考察一种内部存在温度梯度，但没有宏观运动的气体，这种气体充满了保持不同温度的两个表面之间的空间。把任一点的温度与该点附近气体分子所具有的能量联系起来，发现分子的能量与分子的随机运动有关，也与分子内部的自旋及振动有关。且温度高的分子所具有的分子能量也大。由于分子之间经常不断地发生碰撞，所以当邻近的分子相撞时，能量大的分子就必然把能量传递给能量较小的分子。因此，存在温度梯度的情况下，在沿温度降低的方向上必然产生热传导。图2清楚地表示了这个传热过程。由于分子的随机运动，有些分子将不断地从上方和下方穿过假想的平面。但由于在面以上的分子温度比在面以下的分子温度高，所以沿x轴正方向上必然有净能量传递。由于热传导与分子的随机运动有关，所以可把这种传热方式称为能量扩放。

在液体中的热传导情况也一样，不过其分子间距离更小、分子的相互作用更强，也更频繁罢了。同样地，固体中的热传导也可以归之于体现为晶格振动形式的分子运动。一种现代观点认为：固体中的能量传递归之于由原子运动引起的晶格运动。非导体完全靠这种晶格波动来传递能量；而在导体中，还存在自由电子迁移引起的能量传递。

热传导影响因素导热是依靠材料中的电子、原子、分子和晶格热运动来传递热量1。但材料性质不同，其主要导热机理不同，效果也不一样。一般来说，金属的热导率大于非金属，纯金属热导率大于合金。物质三态中，固态热导率最大，液态次之，气态最小。例如：标准大气压下0℃时的冰、水和水蒸气的热导率分别为2.22W/（m·K）、0.55W/（m・K）和0.183W/（m・K）。

金属导热主要依靠自由电子的热运动，导电性能好的金属材料其热导率也大。金属热导率范围在2.3~420W/（m・K），银是420W/（m·K）。但纯金属内加入其他元素成为合金后，由于这些元素的嵌入，严重阻碍自由电子的运动，使热导率大大下降。例如纯铜的λ=398W/（m・K），加人30%的锌后纯铜变成黄铜，λ仅为109W（m・K）。

非金属材料导热主要依靠晶格结构振动产生弹性波的方式来传递能量。物理学中称它为声子传递能量。在传递过程中，若存在声子散射的因素，如晶体缺隙、裂纹，热导率会显著下降。液体的热导率在0.07－0.7W/（m・K）的范围内，液体的导热机理比较复杂。气体的导热是依靠分子热运动，高温区分子的速度高于低温区，通过分子碰撞把能量传给低温区分子。气体热导率在0.006－0.7W/（m・K）范围。气体分子对热导率影响较大，分子量越小、重量越轻、运动速度越快，热导率就越大。电厂发电机采用氢气冷却代替空气冷却，冷却效果较好就是这个道理。

温度对物体热导率的影响温度升高时，纯金属内电子和晶格热运动都同时加剧，结果使在纯金属导热过程中起主要作用的自由电子定向穿梭运动受阻。因此随着温度的升高，纯金属热导率反而减小。非金属导热主要是依靠原子、分子和晶格的振动，温度升高、振动加剧，热导率跟着升自高。气体导热主要依靠分子热运动，温度升高，热运动加快，热导率随之上升。由上可知，热导率是温度的函数。如图所示给出了一些材料热导率与温度的关系趋势。这一关系一般可近似表达为：

λ=λ0（1+bt）

其中λ0为0℃时的热导率值，W/（m·K）；b为热导率与温度关系比例系数，b>0时热导率随温度升高而增大，b