热传导PPT课件
合集下载
热传导(通用版)ppt课件
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。
.
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,)
.
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。
和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。 凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固 体壁称凝结换热过程。
分为膜状凝结、珠状凝结 液膜的导热热阻成为膜状凝结换热的主要阻力 不凝结气体——附加热阻（凝汽器设有抽气系统） 排除凝结液、减小液膜厚度——强化膜状凝结换热
.
第三节 辐射换热
概念
.
第二节 对流换热
.
第二节 对流换热
▲对流换热的主要影响因素
1.流动的起因
h强制h自然
2.流体的流态
h紊流 h层流
Re wd wd
➢ 当Re<2320时为稳定层流； ➢ Re>10000时为旺盛紊流 ； ➢ 2320<Re<10000时则为流
态不 确定的过渡阶段。
.
第二节 对流换热
3.流体的物理性质多层平壁源自QaS(twtf)twtf 1
aS
Q
1
tw1 tw4
2 3
1S 2S 3S
Q=温差除以热阻之和
q
Q S
tw1 tw4
1 2 3
1 2 3
.
第一节 导热
导热量 Q t R
热阻→热流量 在导热分析计算中，热阻的概念 是很重要的。掌握了不同物体的导热 热阻，也就能计算这些物体的热流量。
Q Sd tS tw 1 tw 2 tw 1 tw 2 tw 1 tw 2W
.
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,)
.
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。
和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。 凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固 体壁称凝结换热过程。
分为膜状凝结、珠状凝结 液膜的导热热阻成为膜状凝结换热的主要阻力 不凝结气体——附加热阻（凝汽器设有抽气系统） 排除凝结液、减小液膜厚度——强化膜状凝结换热
.
第三节 辐射换热
概念
.
第二节 对流换热
.
第二节 对流换热
▲对流换热的主要影响因素
1.流动的起因
h强制h自然
2.流体的流态
h紊流 h层流
Re wd wd
➢ 当Re<2320时为稳定层流； ➢ Re>10000时为旺盛紊流 ； ➢ 2320<Re<10000时则为流
态不 确定的过渡阶段。
.
第二节 对流换热
3.流体的物理性质多层平壁源自QaS(twtf)twtf 1
aS
Q
1
tw1 tw4
2 3
1S 2S 3S
Q=温差除以热阻之和
q
Q S
tw1 tw4
1 2 3
1 2 3
.
第一节 导热
导热量 Q t R
热阻→热流量 在导热分析计算中，热阻的概念 是很重要的。掌握了不同物体的导热 热阻，也就能计算这些物体的热流量。
Q Sd tS tw 1 tw 2 tw 1 tw 2 tw 1 tw 2W
传热学课件第 二 章 稳 态 热传导
d2t d x2
m 2 t t f
1
通过肋壁的导热
一、等截面直肋的导热
4.求解：
4>.引入过余温度：<1>式变为 <4> 5>.解微分方程得温度场 <4>式为一个二阶线性齐次常微分方程，它的通解为： =C1emx+C2e-mx <5> 将边界条件<2>、<3>代入<5>即得肋片沿H方向的温度分布：
通过圆筒壁的导热
一、已知第一类边界条件
据傳里叶定律并整理后可得热流量的表达式： 1 ln d2 2l d1 式中的分母即为长度为l的圆筒壁的导热热阻。 单位为：℃/W 实际工程多采用单位管长的热流量ql来计算热流量：
t w1 t w 2
ql
Q l
t w1 t w 2
d ln d2 2 1 1
通过平壁的导热
二、已知第三类边界条件：
q
q
t f 1 t f 2
1 1 h1 h2
也可写作：q=k（tf1-tf2） （请牢记K的物理意义！） 对于冷热流体通过多层平壁的导热，可写作：
t f 1 t f 2
1 h1
i 1
n
i 1 i h2
若已知传热面积A，则热流量为：
e m x H e m x H 0 e mH e mH
d 2 m 2 d x2
or :
0
或写作：
0
ch mx H ch mH
expmx H exp mx H expmH exp mH
1
h21d x 0
科学苏教版五年级(上册)5热传导(课件)
实验方法： ①在烧杯中到一杯热水，并且放在盛有冷水的水槽中。 ②分别用温度计测量烧杯中的热水和水槽中的冷水的温度 。 ③5分钟后，再分别用温度计测量烧杯中的热水和水槽中 的冷水的温度，并比较两测量的温度。
仔细观察 实验现象
实验现象
烧杯中的热水温度越来越低，水槽中的冷水温 度 慢 慢 升高，一直到水槽中的冷水和烧杯中的 热水温度相近或相同。
对着自己的双手哈一口热气，双手 就会暖和起来。 哈气使手暖和是气体与固体接触。
到温泉中泡一泡，身体就 会暖和起来。 泡温泉使身体暖和是液体 与固体接触。
喝一杯热茶，热茶会让 身体暖和起来。 喝热水使身体暖和也是 液体与固体接触。
探索 活动二：热是怎么传到衣物、板栗上的
用熨斗熨烫衣服，热通过熨斗传递到衣服上。熨衣 服时,加热电熨斗的金属底板,金属底板的热量传递给 与其接触的衣服,使衣服变热,变得平整。
在中间加热的金属片上,凡士林油从 中间向四周扩散熔化。
为什么会有这样的现象呢？
无论加热金属片的中间还是边缘,金属片都会变热,说 明热是可以传递的,而且是从温度高的地方传向温度验说明热是从 温度较高的地方传递到温 度较低的地方。
实验二：探究热在水中的传递
实验材料： 铁架台、水槽、冷水、烧杯、热水、温度计等等 。
第二单元 热传递 5.热传导
导入
太阳把温暖传给了土壤， 小溪把温暖传给了鱼儿； 土壤把温暖传给了种子； 太阳把温暖传给了空气， 太阳把温暖传给了小溪， 空气把温暖传给了你我。
探索 活动一：他们是怎么让身体暖和起来的
要求：仔细观察这4幅插图，想一想这4幅图中 的 人 是怎样让身体暖和起来的？
用暖手宝焐一焐，身体就暖和起来 了。暖手宝传热让手暖和是固体与 固体接触。
热传导方程(扩散方程)ppt课件
( x ,t0) ( x )
波方程的Cauchy问题
由泛定方程和相应边界条件构成的定解问题称为 边值问题。
u0, (x,y),
u f (x, y).
Laplace方程的边值问题
由偏微分方程和相应的初始条件及边界条件构成 的定解问题称为混合问题。
uutt0a2(u(xxx,y,uzy)yuzz)0
kn|x0k(x) qnq0
u x
|xl
q0 k
u x |x0
q0 k
xl
若端点是绝热的，则
u u x|xl x x0 0
三、定解问题
定义1 在区域 G[0,) 上，由偏微分方程、初 始条件和边界条件中的其中之一组成的定解问题称为 初边值问题或混合问题。
u ut x,a 02 u xx (x 0),,
注 1、热传导方程不仅仅描述热传导现象，也可以
刻画分子、气体的扩散等，也称扩散方程；
2、上述边界条件形式上与波动方程的边界条件 一样，但表示的物理意义不一样；
3、热传导方程的初始条件只有一个，而波动方 程有两个初始条件。
4、除了三维热传导方程外，物理上，温度的分 布在同一个界面上是相同的，可得一维热传导方
gk1 k
u1.
注意第三边界条件的推导：
研究物体与周围介质在物体表面上的热交换问题
把一个温度变化规律为 u(x, y, z, t)的物体放入 空
气介质中，已知与物体表面接触处的空气介质温度
为 u1(x, y, z, t)，它与物体表面的温度u(x, y, z, t)并不
相同。这给出了第三边界条件的提法。
或
u knk1(uu1).
即得到（1.10）： ( u nu)|(x,y,z) g(x,y,z,t).
第五章传热ppt课件
第四章 传热
1
第一节 概述
一、传热在食品工程中的应用
（１）食品生产中一般必要的加热、冷却过程； （２）为延长食品贮藏时间而进行的杀菌或冷藏； （３）以除去食品中水分为目的的蒸发或结晶过程的加热或冷 却； （４）为食品完成一定生物化学变化而进行的蒸煮、焙烤等。
2
第一节 概述
二、传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据 传热机理不同，传热的基本方式有三种：
7
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
一维温度场的温度分布表达式为：
t = f (x,τ)
(4-1a)
➢不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。
➢稳定温度场：若温度不随时间而改变。
➢等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
24
2 多层圆筒壁的稳定热传导
对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的 热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。
如图所示：以三层圆筒壁为例。
➢假定各层壁厚分别为b1= r2-
r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；
➢各 层 材 料 的 导 热 系 数 λ1，
λ2，λ3皆视为常数；
➢层与层之间接触良好，相互
3、热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。
➢所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何
介质。
➢任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在
物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。
实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互
伴随着出现的。
1
第一节 概述
一、传热在食品工程中的应用
（１）食品生产中一般必要的加热、冷却过程； （２）为延长食品贮藏时间而进行的杀菌或冷藏； （３）以除去食品中水分为目的的蒸发或结晶过程的加热或冷 却； （４）为食品完成一定生物化学变化而进行的蒸煮、焙烤等。
2
第一节 概述
二、传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据 传热机理不同，传热的基本方式有三种：
7
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
一维温度场的温度分布表达式为：
t = f (x,τ)
(4-1a)
➢不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。
➢稳定温度场：若温度不随时间而改变。
➢等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
24
2 多层圆筒壁的稳定热传导
对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的 热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。
如图所示：以三层圆筒壁为例。
➢假定各层壁厚分别为b1= r2-
r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；
➢各 层 材 料 的 导 热 系 数 λ1，
λ2，λ3皆视为常数；
➢层与层之间接触良好，相互
3、热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。
➢所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何
介质。
➢任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在
物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。
实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互
伴随着出现的。
1.2热的传递方式(课件) (共15张PPT)大象版五年级科学上册
五年级上册 第1单元 《冰淇淋冷藏箱》
热的传递方式
大象版秋季
想一想
热是如何传递的？热的传递方式有哪些？
在太阳下的冰 淇淋为什么融化得 更快呢？
空气把热传递给冰淇 淋之后自己也会变冷，为 什么它能使冰淇淋一直融 化呢？
试一试
安全提示：
1.使用灯泡时要防止触电。
给灯泡通上电，一两分钟后，
2.手不要离灯泡太近，以免烫伤。 3.眼睛不要长时间看发光的灯泡，
酒精灯
温度计
烧杯
陶土网
红墨水
三脚架
茶叶
木屑
猜想假设
烧水的时候，加热 到一定程度，会看到水 面咕嘟咕嘟冒小气泡。 烧开时，水就来回翻滚 。热在水中会不会就像 翻跟头一样，翻上来再 翻下去……
实验验证
“热在水中的传递方式”实验计划
实验目的 研究热在水中的传递方式
实验器材
烧水壶（透明、带温度显示）、饮用Hale Waihona Puke 、若干泡好的 茶叶实验结论
热对流
实资验料验卡证
空气受热以后，体积膨胀变轻，就 会向上升，而周围的冷空气比热空气的 密度大，就会流动过来补充，然后受热 之后再向上升……这样循环往复，整个 房间的空气都会变热。水和空气一样，
都是可以流动的物体，所以热对流也是
热在水中的主要传递方式。
本课小结
热传递的方式：热传导、热对流、热辐射。
2.太阳的热是通过( A )方式传播到地面上来的。 A.热辐射 B.热对流 C.热传导
3.铜条的一端放在酒精灯上加热，酒精灯火焰的热能通过铜条传到另一端。这种传递热的方式。我们称为( A )。
A.热传导
B.热对流
C.热辐射
4. 夏天开空调出风口朝上，冬天开空调出风口朝下。这和热传递中的（ B ）有关。 A. 热传导 B.热对流 C.热辐射
热的传递方式
大象版秋季
想一想
热是如何传递的？热的传递方式有哪些？
在太阳下的冰 淇淋为什么融化得 更快呢？
空气把热传递给冰淇 淋之后自己也会变冷，为 什么它能使冰淇淋一直融 化呢？
试一试
安全提示：
1.使用灯泡时要防止触电。
给灯泡通上电，一两分钟后，
2.手不要离灯泡太近，以免烫伤。 3.眼睛不要长时间看发光的灯泡，
酒精灯
温度计
烧杯
陶土网
红墨水
三脚架
茶叶
木屑
猜想假设
烧水的时候，加热 到一定程度，会看到水 面咕嘟咕嘟冒小气泡。 烧开时，水就来回翻滚 。热在水中会不会就像 翻跟头一样，翻上来再 翻下去……
实验验证
“热在水中的传递方式”实验计划
实验目的 研究热在水中的传递方式
实验器材
烧水壶（透明、带温度显示）、饮用Hale Waihona Puke 、若干泡好的 茶叶实验结论
热对流
实资验料验卡证
空气受热以后，体积膨胀变轻，就 会向上升，而周围的冷空气比热空气的 密度大，就会流动过来补充，然后受热 之后再向上升……这样循环往复，整个 房间的空气都会变热。水和空气一样，
都是可以流动的物体，所以热对流也是
热在水中的主要传递方式。
本课小结
热传递的方式：热传导、热对流、热辐射。
2.太阳的热是通过( A )方式传播到地面上来的。 A.热辐射 B.热对流 C.热传导
3.铜条的一端放在酒精灯上加热，酒精灯火焰的热能通过铜条传到另一端。这种传递热的方式。我们称为( A )。
A.热传导
B.热对流
C.热辐射
4. 夏天开空调出风口朝上，冬天开空调出风口朝下。这和热传递中的（ B ）有关。 A. 热传导 B.热对流 C.热辐射
《传热的三种方式》课件
通过热传导，热对流和热辐射，热量在我们的日常生活和自然界中得到传递和分配。
实例
重要性
一个房间加热器是热对流的例子， 空气被加热并上升，形成对流电 流。
热对流在自然界和工程中起着重 要作用，如气候系统和散热器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 热辐射
定义
热辐射是指物体通过释放电磁辐射来传递热量。
实例
太阳向地球辐射出的热量就是热辐射的例子。
重要性
热辐射是宇宙中广泛存在的热传递方式，也是许多技术应用的基础。
总结
《传热的三种方式》
让我们一起探索传热的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
热传导
1
定义
热传导是指物体内部或接触物体之间的热量传递。
2
实例
例如，当你触摸热锅时，热量会通过热传导从锅底传递到你的手。
3
重要性
了解热传导可以帮助我们设计更有效的散热系统和隔热材料。
热对流
定义
热对流是指通过流体（如空气或 液体）的运动来传递热量。
实例
重要性
一个房间加热器是热对流的例子， 空气被加热并上升，形成对流电 流。
热对流在自然界和工程中起着重 要作用，如气候系统和散热器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 热辐射
定义
热辐射是指物体通过释放电磁辐射来传递热量。
实例
太阳向地球辐射出的热量就是热辐射的例子。
重要性
热辐射是宇宙中广泛存在的热传递方式，也是许多技术应用的基础。
总结
《传热的三种方式》
让我们一起探索传热的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
热传导
1
定义
热传导是指物体内部或接触物体之间的热量传递。
2
实例
例如，当你触摸热锅时，热量会通过热传导从锅底传递到你的手。
3
重要性
了解热传导可以帮助我们设计更有效的散热系统和隔热材料。
热对流
定义
热对流是指通过流体（如空气或 液体）的运动来传递热量。
热传导PPT课件
.
7
.
8
2、声子热导
从晶格格波的声子理论可知，热传导过程 ------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。
热阻：声子扩散过程中的各种散射。
根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数 λ ：
1 c l 3
cV：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度------声子的运动速度； l：气体分子的平均自由程------声子的平均自由程。
热占一定份量，随着温度的上升，热导率略有增大（气体导热）
.
18
2、结构的影响
• 晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越 低。 • 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状 结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。 • 多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。
—— 翻转过程（声子碰撞）
.
10
• 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。
点缺陷的大小是原子的大小：
在低温时，为长波，波长比点缺陷
大的多，估计 ： 波长 D a/T
犹如光线照射微粒一样，从雷利公
式知: 散射的几率 1/4 T4,平
均自由程与T4成反比.
在高温时，声子的波长和点缺陷大 小相近似，点缺陷引起的热阻与温 q 度无关。平均自由程为一常数。
➢ 非稳定传热（物体内各处的温度随时间而变化 ） 一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的 推移温度梯度趋于零的过程，即存在热端温度不断降低和冷端 温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积 上温度随时间的变化率为：
（ρ为密度，CP为恒压热容）
.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料的热学性能
第四节 材料的热传导
一、 用 于
光子
电子 声子
晶体
产 生
Q = - λ dT/dx（能流密度）J/s.cm2
单位时间内，通过单位面积的热能.
λ ------晶体的热导系数J/s.cm oC
T大 具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
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
晶格振动热传导的简单描述
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。
散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。
SUCCESS
THANK YOU
2019/6/25
2、光子热导
固体中的分子、原子和电子 振动、转动 电磁波（光子）
电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效 应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热 射线。
热射线的传递过程——热辐射。
热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过 程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。
q1 + q2
破坏了热流方向产生较大的热
q3
阻。
Kn
—— 翻转过程（声子碰撞）
• 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。
点缺陷的大小是原子的大小：
在低温时，为长波，波长比点缺陷
大的多，估计 ： 波长 D a/T
犹如光线照射微粒一样，从雷利公
式知:
散射的几率 1/4
光子在介质中的传播过程——光子的导热过程。
固体中的辐射传热过程的定性解释：
辐射源
热稳定状态
T1
T2
吸收
辐射
能量转移
辐射能的传递能力：
r
16
3
n3T
3lr
： 波尔兹曼常数（5.67×10-8W/(m2·K4)；
n ：折射率；
lr： 光子的平均自由程。
• 对于辐射线是透明的介质，热阻小， lr较大，如：单 晶、玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显； • 对于辐射线是不透明的介质，热阻大， lr很小，大多 数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显； • 对于完全不透明的介质， lr=0，辐射传热可以忽略。
影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：
• 声子的碰撞过程
形成新声子的动量 方向和原来两个声子的方向 相一致，此时无多大的热阻。
声子碰撞的几率 exp(-D/2T—) — 正规过程
温度越高，声子间的碰撞频率越高， 则声子的平均自由程越短。
q2
q1 ，q2相当大时，
碰撞后，发生方向反转，从而
q1
声子的热传导
T小 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数 平衡时： 同样多的振动模式振 同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数
一、热传导的基本概念和定律
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ΔS，材料沿x轴方向的温度变 化率为dT/dx，在Δt时间内沿x轴正方向传过ΔS截面上的热量 为ΔQ，则有如下的关系式：
1、电子导热 纯金属：导热主要靠自由电子 合金：既要考虑自由电子，又要考虑声子（晶格振动）导热的 贡献 金属中大量的自由电子可视为自由电子气。合理的近似：用理 想气体热导率公式来描述自由电子热导率 理想气体热导率表达式为：
把自由电子气的有关数据代入上式，则金属中自由电子的λ可 近似求得设单位体积自由电子数n，则单位体积电子热容为：
数。 非稳定传热（物体内各处的温度随时间而变化 ） 一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的 推移温度梯度趋于零的过程，即存在热端温度不断降低和冷端 温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积 上温度随时间的变化率为：
（ρ为密度，CP为恒压热容）
二、热传导的物理机制
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（声子-声频支或光子光频支 ）和自由电子的运动来实现的
（傅利叶导热定律）
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)
傅利叶导热定律适用条件：稳定传热的条件，即传热过程中，
材料在x方向上各处的T是恒定的，与时间无关，ΔQ/Δt是常
三、热导率的一般规律
魏得曼－弗兰兹定律
在室温下许多金属的热导率与电导率之比λ/σ几乎
相同，而不随金属不同而改变。
LT L 2 ( kB )2 2.45108W K 2 T 3 e
2、声子热导
从晶格格波的声子理论可知，热传导过程 ------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散
过热程阻。：声子扩散过程中的各种散射。
根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数 λ ：
1 cl
3
cV：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度------声子的运动速度； l：气体分子的平均自由程------声子的平均自由程。
T4,平均自由程与T4成反比.
在高温时，声子的波长和点缺陷大
小相近似，点缺陷引起的热阻与温
q 度无关。平均自由程为一常数。
T
• 晶界散射
声子的平均自由程随温度降低而增长，增大到 晶粒大小时为止，即为一常数。
晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程 与d成正比。
• 位错的散射
在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其
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）
第四节 材料的热传导
一、 用 于
光子
电子 声子
晶体
产 生
Q = - λ dT/dx（能流密度）J/s.cm2
单位时间内，通过单位面积的热能.
λ ------晶体的热导系数J/s.cm oC
T大 具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
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
晶格振动热传导的简单描述
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。
散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。
SUCCESS
THANK YOU
2019/6/25
2、光子热导
固体中的分子、原子和电子 振动、转动 电磁波（光子）
电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效 应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热 射线。
热射线的传递过程——热辐射。
热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过 程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。
q1 + q2
破坏了热流方向产生较大的热
q3
阻。
Kn
—— 翻转过程（声子碰撞）
• 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。
点缺陷的大小是原子的大小：
在低温时，为长波，波长比点缺陷
大的多，估计 ： 波长 D a/T
犹如光线照射微粒一样，从雷利公
式知:
散射的几率 1/4
光子在介质中的传播过程——光子的导热过程。
固体中的辐射传热过程的定性解释：
辐射源
热稳定状态
T1
T2
吸收
辐射
能量转移
辐射能的传递能力：
r
16
3
n3T
3lr
： 波尔兹曼常数（5.67×10-8W/(m2·K4)；
n ：折射率；
lr： 光子的平均自由程。
• 对于辐射线是透明的介质，热阻小， lr较大，如：单 晶、玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显； • 对于辐射线是不透明的介质，热阻大， lr很小，大多 数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显； • 对于完全不透明的介质， lr=0，辐射传热可以忽略。
影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：
• 声子的碰撞过程
形成新声子的动量 方向和原来两个声子的方向 相一致，此时无多大的热阻。
声子碰撞的几率 exp(-D/2T—) — 正规过程
温度越高，声子间的碰撞频率越高， 则声子的平均自由程越短。
q2
q1 ，q2相当大时，
碰撞后，发生方向反转，从而
q1
声子的热传导
T小 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数 平衡时： 同样多的振动模式振 同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数
一、热传导的基本概念和定律
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ΔS，材料沿x轴方向的温度变 化率为dT/dx，在Δt时间内沿x轴正方向传过ΔS截面上的热量 为ΔQ，则有如下的关系式：
1、电子导热 纯金属：导热主要靠自由电子 合金：既要考虑自由电子，又要考虑声子（晶格振动）导热的 贡献 金属中大量的自由电子可视为自由电子气。合理的近似：用理 想气体热导率公式来描述自由电子热导率 理想气体热导率表达式为：
把自由电子气的有关数据代入上式，则金属中自由电子的λ可 近似求得设单位体积自由电子数n，则单位体积电子热容为：
数。 非稳定传热（物体内各处的温度随时间而变化 ） 一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的 推移温度梯度趋于零的过程，即存在热端温度不断降低和冷端 温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积 上温度随时间的变化率为：
（ρ为密度，CP为恒压热容）
二、热传导的物理机制
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（声子-声频支或光子光频支 ）和自由电子的运动来实现的
（傅利叶导热定律）
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)
傅利叶导热定律适用条件：稳定传热的条件，即传热过程中，
材料在x方向上各处的T是恒定的，与时间无关，ΔQ/Δt是常
三、热导率的一般规律
魏得曼－弗兰兹定律
在室温下许多金属的热导率与电导率之比λ/σ几乎
相同，而不随金属不同而改变。
LT L 2 ( kB )2 2.45108W K 2 T 3 e
2、声子热导
从晶格格波的声子理论可知，热传导过程 ------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散
过热程阻。：声子扩散过程中的各种散射。
根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数 λ ：
1 cl
3
cV：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度------声子的运动速度； l：气体分子的平均自由程------声子的平均自由程。
T4,平均自由程与T4成反比.
在高温时，声子的波长和点缺陷大
小相近似，点缺陷引起的热阻与温
q 度无关。平均自由程为一常数。
T
• 晶界散射
声子的平均自由程随温度降低而增长，增大到 晶粒大小时为止，即为一常数。
晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程 与d成正比。
• 位错的散射
在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其
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）