第四讲 材料的热传导
热传导 课件
课堂练习
三、选择题 热在金属片上的传递方向是（ C ）。
A.一个方向 B.三个方向 C.各个方向
课堂小结
通过本课的学习你有哪些收获？
板书设计
本课思维导图
由高温向低温 有温
传递
度差
相互接触或在同一物 体的不同部位
冷敷或热敷
吹头发
3、冷敷或热敷：冷敷是皮肤的热传递给布包里的冰块，皮肤的温度降低，达到减慢
血液循环的目的；热敷是布包时的热传递给皮肤，皮肤温度变高，以加快血液循环。
4、吹头发：电吹风产生的热传递给头发，头发温度升高；另外电吹风吹出气体，加
速空气流动。这两个因素的共同作用使头发上的水快速蒸发变干。
新知讲解 活动 四 生活中常见的热传导事例 生活中有许多热传导的事例，利用高温物体传热给低温物体的原理，为我们的生
冷热水温 度变化
冷热水温度逐渐相同
热传导
生活 事例
烙饼 量体温 冷敷或热敷 吹头发 电烙铁作画 ……
操作提示 1、注意酒精灯的使用安全， 不要用嘴吹灭酒精灯。 2、实验过程中不要触摸金属 片，以免被烫作。
新知讲解 活动 二 研究热在金属中的传递方向
1、金属中的热传递。 实验现象：（1）加热金属片一端，凡士林从加热一端向另一端熔化。 （2）加热金属片中心，凡士林从中心点向四周扩散熔化。 实验分析：（1）从一端加热第一块金属片，加热端温度高，另一端温度低，热由 温度高的一端开始向温度低的一端传递。 （2）从中心加热另一块金属片，中心温度高，四周温度低，热由温度高的中心点 向温度低的四周传递。 实验结论：无论是加热金属片的中心还是边缘，金属片都会变热，说明是可以传递 的，而且是从温度高的地方传到温度低的地主。传递方向是四面八方。
第四讲 肋片导热
hP const Ac
d 2 m 2 dx 2
混合边界条件： x 0 时， ＝ 0＝t 0 t
d 0 x H 时， dx
方程的通解为：
c1e mx c2 e mx
应用边界条件可得：
e mH c1 0 mH e e mH
Newton冷却公式： Φd h( Pdx)(t t )
d 2t hP (t t ) 0 2 dx Ac
关于温度的二阶非 齐次常微分方程
d 2t hP (t t ) 0 导热微分方程： 2 dx Ac
引入过余温度 t t 。令 m 则有：
2Hale Waihona Puke 肋片效率为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率 f
实际散热量 Φ 肋片效率＝ 假设整个肋表面处于肋 基温度下的散热量 Φ0
hP 0 th ( mH ) th ( mH ) f m hPH 0 mH
m hP Ac
hP h 2l 2h 3 2 mH H H H Ac l H
例：
q 6 105 W m 2 rc 2.64 104 m 2 K W tc q rc 158.4 C
接触热阻的影响因素： （1）固体表面的粗糙度 （3）接触面上的挤压压力 （2）接触表面的硬度匹配 （4）空隙中的介质的性质
在实验研究与工程应用中，消除接触热阻很重要 导热姆（导热油、硅油）、银 先进的电子封装材料 （AIN），导热系数达400以上
q
A B rc A AB
t1 t3
A B t1 t3 q ( rc ) A AB
（1）当热流量不变时，接触热阻 rc 较大时，必然 在界面上产生较大温差 （2）当温差不变时，热流量必然随着接触热阻 rc 的增大而下降 （3）即使接触热阻 rc 不是很大，若热流量很大， 界面上的温差是不容忽视的
材料的热传导
材料的热传导热传导是材料科学中一个非常重要的概念，它涉及到材料在热能传递过程中的特性和行为。
热传导的研究不仅对于材料的性能评估和改进具有重要意义，同时也对于热工学和工程领域有着广泛的应用。
本文将从热传导的基本原理、影响因素以及应用方面进行探讨。
首先，让我们来了解一下热传导的基本原理。
热传导是指热量在物质内部由高温区向低温区传递的过程。
在固体材料中，热传导主要通过原子和分子之间的碰撞传递热量。
当材料的温度不均匀时，高温区的分子会向低温区传递热量，直到整个材料达到热平衡状态。
热传导的速度取决于材料的热导率和温度梯度，热导率越大，温度梯度越大，热传导速度就越快。
其次，影响热传导的因素有很多。
首先是材料的热导率，不同材料的热导率是不同的，例如金属材料通常具有较高的热导率，而绝缘材料则具有较低的热导率。
其次是材料的密度和结构，密度大、结构紧密的材料通常具有较好的热传导性能。
此外，温度梯度也是影响热传导的重要因素，温差越大，热传导速度越快。
最后，材料的形状和尺寸也会对热传导产生影响，例如薄壁材料的热传导速度通常比厚壁材料快。
在实际应用中，热传导的研究具有广泛的意义。
首先，在材料科学领域，热传导的研究可以帮助科学家们更好地理解材料的热学特性，为材料的设计和改进提供重要依据。
其次，在工程领域，热传导的研究可以帮助工程师们设计更高效的散热系统，提高设备的热传导效率。
此外，热传导的研究还对于热工学和能源领域具有重要意义，可以帮助人们更好地利用热能资源，提高能源利用效率。
总之，热传导作为材料科学中的重要概念，对于材料的性能评估、工程设计以及能源利用都具有重要意义。
通过对热传导的深入研究，可以帮助人们更好地理解和应用热传导的原理，推动材料科学和工程技术的发展。
希望本文的内容能够对读者有所启发，促进热传导领域的进一步研究和应用。
热传导(通用版)ppt课件
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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第三节 辐射换热
特点 辐射换热与导热、对流换热的主要
不同点就是换热是物体（或物质）之间 不接触。
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第三节 辐射换热
现在研究外界热辐射的能量投射到某一物
体表面的情况。
单位时间内射到物体单位面积上
Ee
n
的总能量，称为投射辐射Ee。其
E r 中一部分被吸收，称为吸收辐射
Ea；一部分被物体反射出去，称
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第一节 导热
气体的导热：通过其处于杂乱无章运动中的分子间的 碰撞，进行能量的交换而实现导热。
固体的导热：主要是通过材料晶格的热振动波以及自 由电子的迁移来实现的。
液体的导热：在液体介电质中，热量的转移是依靠弹 性波的作用。
在金属内部则依靠自由电子的运动，而对于非金 属则主要通过晶格的热振动波进行热量的传递。
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第一节 导热
温度场（Temperature field） 某时刻空间所有各点温度分布的总称 温度场是时间和空间的函数，即：
tf(x,y,z,)
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第一节 导热
如果物体内各点的温度在温度不随时间 而变，称为稳态温度场。
若物体内的温度分布随时间变化，则为 非稳态温度场。
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火电厂的生产过程和传热过程联系密切。 热量传递的基本方式有导热、对流换热和辐射
第四节材料热传导
第四节材料热传导一、固体材料热传导的宏观规律热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象稳定传热假如各向同性固体材料x 轴方向的截面积为∆S ，材料沿x dT/dx ，在∆t 时间内沿x 轴正方向传过∆S 截面上的热量为∆Q 负号表示热量向低温处传递，常数λ称为热导率（或导热系数热导率：材料传输热量的能力的表征参数。
指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，所以其单位为W/(m•K)或J/(m•s•K)dTdx Q S t λ∆=-⨯∆∆（傅利叶导热定律∆S二、固体材料热传导的微观机理气体：传热是通过分子碰撞来实现的固体材料：不能象气体那样依靠质点间的直接碰撞来传递热能。
固体中的导热主要是由晶格振动的格波（声频支：声频声子子optic phonons）、自由电子和热射线金属：一般都有较大的热导率。
在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。
虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但是次要的非金属晶体：一般离子晶体的晶格中，自由电子很少，因此，晶格振动是热传导的主要机制假设晶格中一质点处于较高的温度下，它的热振动较强烈，平均振幅也较大。
而其邻近质点所处的温度较低，热振动较弱质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强质点的影响下，振动加剧，热运动能量增加。
这样，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较低处，产生热传导现象假如系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到邻近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，使整个晶体最终趋于一平衡态（非稳定导热的情况）4声子的平均自由程l讨论：若晶格热振动看成是严格的线性振动，则格波间没有相互作用，各种频率的声子间互不干扰，没有声子与声子碰撞，没有能量转移，晶体中的热阻为零（仅在到达晶体表面时，受边界效应的影响）。
热量就以声子的速度在晶体中得到传递。
然而，这与实验结果是不符合的实际上，晶格热振动并非是线性的，格波间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减少，降低热导率。
材料的热传导与导热性能
材料的热传导与导热性能随着科技的进步和社会的发展，各行各业对材料的导热性能的要求也越来越高。
导热性能是指材料对热能的传导能力，它直接影响着材料在工业生产中的应用。
在这篇文章中，我们将探讨材料的热传导机制和导热性能的影响因素。
热传导是指热能通过材料的直接传递。
一般来说，热传导可以通过三种方式进行：导热、对流和辐射。
导热是材料内部的分子或原子通过相互碰撞传递热能。
对流是指热量通过流体的流动传递，而辐射是指物体的热能以电磁波的形式传递。
材料的导热性能与许多因素有关。
其中最重要的因素是材料的热导率。
热导率是指单位时间内单位面积上的热能传导的能力，其数值越大代表热传导能力越强。
常见的高导热材料包括金属（如铜和铝）和导热塑料（如聚苯乙烯和尼龙）。
除了热导率外，材料的物理结构也会对导热性能产生影响。
结晶态材料通常比非晶态材料具有更高的导热性能。
这是因为在结晶态材料中，由于有序结构的存在，热传导路径更加畅通无阻。
此外，材料的密度也会影响导热性能。
通常情况下，密度越高的材料其导热性能也会相应增加。
这是因为高密度材料中原子或分子之间的距离更近，能够更有效地传递热能。
因此，在设计高性能导热材料时，需要综合考虑热导率和密度的关系。
此外，材料的晶格结构和缺陷也会对导热性能产生影响。
例如，晶格结构复杂的材料通常有较低的导热性能，因为晶格结构的复杂性会导致热传导路径的阻碍。
而材料中的缺陷（如空隙和杂质）通常会削弱热传导能力。
不同材料具有不同的热传导特性和导热性能。
例如，金属是一类具有优良导热性能的材料，导热率通常较高。
这使得金属广泛应用于热散热器、冷却器、加热装置等高热传导要求的领域。
另一方面，绝缘材料通常导热率较低，适用于隔热材料的制备。
为了提高材料的导热性能，人们已经采取了许多方法。
一种常用的方法是合金添加。
在一些导热性能较差的材料中添加导热率较高的材料，如金属纳米颗粒，可以显著提高材料的导热性能。
此外，改变材料的晶格结构、优化材料的成分和形状等也可以增强导热性能。
热传导与材料的导热性
热传导与材料的导热性导语：热传导是热能在物质中传递的过程，材料的导热性则决定了热量如何在材料中传导。
在本文中，我们将讨论热传导的基本原理以及影响材料导热性的因素。
一、热传导的基本原理热传导是热量通过物质内部的分子碰撞而传递的过程。
它遵循热梯度的方向，即热能从高温区域传递到低温区域。
这种传递是通过固体、液体和气体中的颗粒之间的相互作用实现的。
热传导是一个复杂的过程，主要由三种方式实现：导热、传导和辐射。
导热是固体材料中的分子或原子之间的直接碰撞传递能量。
传导是液体和气体中的分子通过碰撞将热能传递给相邻的分子。
而辐射则是指通过电磁波的辐射传递热能。
二、影响材料导热性的因素材料的导热性能受多种因素的影响，下面将介绍其中几个重要的因素。
1. 材料的热导率热导率是一个衡量材料传导热量能力的物理量。
热导率越高，表明材料越容易传导热量。
导热性能好的材料通常具有较高的热导率。
2. 材料的密度密度是指材料的质量与体积之比。
通常情况下，密度越大的材料，其导热性能越好。
因为大部分情况下，密度较大的材料具有更多的原子或分子，这样可以增加热量传递的效率。
3. 材料的热容量热容量是指物质在温度变化下吸收或释放的热能量。
热容量越高，材料对热量的吸收和释放能力就越强，同时也能更好地传导热量。
4. 结构和组成材料的结构和组成也会影响其导热性能。
晶体结构的材料通常具有较好的导热性能，因为固定的结构可以提供更好的热传导通道。
此外，元素的选择和分子的排列方式也会对导热性产生影响。
三、导热材料的应用领域导热材料在现代科学技术中有着广泛的应用。
以下是一些例子：1. 热散热器导热材料常用于制造散热器，以帮助电子设备和机械设备散发多余的热量。
高导热性能的材料可以有效地从热源中吸收热量，并将其传递到更大的表面积上，以加快热量的散发。
2. 建筑领域在建筑领域，导热材料被用于隔热材料和保温材料的制造，以提高建筑物的能源效率。
通过选择低导热率的材料，可以减少能量的损失，并改善建筑物的保温性能。
传热学第四讲平壁的稳态导热
五、求解步骤
1.建物理模型模 2.导热微分方程的简化（建数学模型） 3.求解微分方程，得出温度分布的通解 4.设定定解条件 5.求解温度分布公式（特解）
6.代入导热基本定律中求解热流量或热流密度
2013-11-28
3
§3 平壁的稳态导热
一、单层平壁（即无限大平板）
1.建模 2.简化导热微分方程
一、单层
1.建模 2. 导热微分方程的简化
d dt r 0 dr dr
t 1 t 1 t t c r 2 z z r r r r
, m1 )
1 t m t w高 t w低 2 q m t w高 t w低 P q 2A
t
t 实测值为：w高、t w低、P
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※
※
※
※
※
※
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13
t t t t c x x y y z z
d 2t 2 0 dx
3.求解微分方程 t c1 x c2
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4.设定定解条件
2l (t1 t 4 ) ln d 2 d1 / 1 ln d 3 d 2 / 2 ln d 4 d 3 / 3
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实验一 稳态平板法测定绝热材料的导热系数
0 (1 bt )
(t · ( ·t
m1 m2
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热量依靠什么进行转移和传递？
晶格振动
格波
声频支 光频支
声子
材料的传热机理
➢ 分子导热机理 ➢ 电子导热机理
气体 金属、半导体
➢ 声子导热机理 金属、半导体、绝缘体
➢ 光子导热机理
固体高温条件下
格波
声频支 光频支
自由电子热传导
固体的传热 声子热传导
光子热传导
声频支 光频支
分子导热机理
1 3
CV
材料的热导率
地址：材料学院A306 室
热流仪
应用举例：
微孔绝热材料 乙丙橡胶泡沫 膨胀聚苯乙烯
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
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
气孔对导热系数的影响
气孔率越大，导热系数越小
结构复杂程度对导热系数的影响
单晶体和多晶体的热导率变化情况
气孔率对热导率的影响
气孔率增加
气孔率较大的材料具有较低的热导率，因而适合用作 保温材料。
化学成分和杂质的影响 金属材料
无机非金属材料
金属
合金中加入杂质元素将使导热系数降低
杂质与基体的差异越大，对热导率的影响越大
1 3
j
c j jl j
角标j表示不同载体类型的相应物理量。
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）。
声子和声子热导
声子：晶格振动的“量子” h 声子的能量：
声子的运动：格波的传播过程
热传导过程：声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。 热阻：声子扩散过程中的各种散射。
类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶体热 传导是声子碰撞的结果。
固体材料的导热是电子、声子和光子导热共同
作用的结果，有
电子的导热系数
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
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)
➢ 透明度
对辐射线透明者， 大，热阻lr 小；
单晶、玻璃
773 — 1273 K
对辐射线不透明者， 小，热阻lr大；
陶瓷
1773 K以上
对辐射线完全不透明者， = 0，热l阻r 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。
热导率 电导率
热流密度 电流密度
热阻
电阻
傅里叶定律 欧姆定律
温度梯度 电势差
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
2. 热传导的物理机制（微观机制）
气体传热的机理是什么？
分子碰撞
固体传热的机理是什么？
晶格振动 （声子）
自由电子运动
温度梯度
非稳态法
热流密度
材料的热导率
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
热流仪工作原理图
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。
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
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
晶体
温度的影响
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
晶格间距；
O
T
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
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。
非晶体导热系数曲线
中温到较高温度，热容渐变 为常数，故导热系数λ接近 常数。
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
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
本章内容
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
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。
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
玻璃体：
cT d
某些建筑材料、耐火砖等：
0 1 bt
将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：
（１）铬
（２）银 （３）Ni-Cr合金
（４）石英 （５）铁
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
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
l
气体分子相互作用或碰撞引起的结果。
自由电子导热机理
1 3
CV
l
自由电子间的相互作用或碰撞。
金属中导热的主要机制
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
总的
电子部分
O
T
金属导热系数的理论曲线
➢ 很低温度
随温度线性呈线性变化
➢ 中等温度
不随温度变化而变化
➢ 很高温度
随温度增加略有减小
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
感谢下 载
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。