熱導率

熱導率

熱導率,又稱"導熱系數"。是物質導熱能力的量度。符號為λ或K。

英文:coefficient of thermal conductivity

是指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時,單位時間內通過單位水準截面積所傳遞的熱量。

其具體定義為:在物體內部垂直于導熱方向取兩個相距1米,面積為1平方米的平行平面,若兩個平面的溫度相差1K,則在1秒內從一個平面傳導至另一個平面的熱量就規定為該物質的熱導率,其單位為瓦特·米-1·開-1(W·m-1·K-1)。

如沒有熱能損失,對于一個對邊平行的塊形材料,則有

E/t=λA(θ2-θ1)/ι

式中E是在時間t內所傳遞的能量,A為截面積,ι為長度,θ2和θ1分別為兩個截面的溫度。在一般情況下有:

dE/dt=-λAdθ/dι

  • 中文名稱
    熱導率
  • 外文名稱
    coefficient of thermal conductivity
  • 別名
    導熱系數
  • 行業
    科學實驗、工程技術
  • 單位
    瓦特·米-1·開-1(W·m-1·K-1)
  • 定位
    反映材料導熱性能的物理量

定義

又稱導熱系數,反映物質的熱傳導能力。按傅立葉定律(見熱傳導),其定義為單位溫度梯度(在1m長度內溫度降低1K)在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。

熱導率λ很大的物體是優良的熱導體;而熱導率小的是熱的不良導體或為熱絕緣體。λ值受溫度影響,隨溫度增高而稍有增加。若物質各部之間溫度差不很大時,在實用上對整個物質可視λ為一常數。晶體冷卻時,它的熱導率增加極快。

各種物質的熱導率數值主要靠實驗測定,其理論估算是近代物理和物理化學中一個活躍的課題。熱導率一般與壓力關系不大,但受溫度的影響很大。純金屬和大多數液體的熱導率隨溫度的升高而降低,但水例外;非金屬氣體的熱導率隨溫度的升高而增大。傳熱計算時通常取用物料平均溫度下的數值。此外,固態物料的熱導率還與它的含濕量、結構和孔隙度有關。一般含濕量大的物料熱導率大。如幹磚的熱導率約為0.27W/(m·K)而濕磚熱導率為0.87W/(m·K)。物質的密度大,其熱導率通常也較大。金屬含雜質時熱導率降低,合金的熱導率比純金屬低。各類物質的熱導率〔W/(m·K)〕的大致範圍是:金屬為50~415,合金為12~120,絕熱材料為0.03~0.17,液體為0.17~0.7,氣體為0.007~0.17,碳納米管高達1000以上。鑽石的熱導率在已知礦物中最高。

研究方法

通常,物質的導熱系數可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。

理論上,從物質微觀結構出發,以量子力學和統計力學為基礎,通過研究物質的導熱機理,建立導熱的物理模型,經過復雜的數學分析和計算可以獲得熱導率。但由于理論的適用性受到限製,而且隨著新材料的快速增多,人們迄今仍尚未找到足夠精確且適用于範圍廣泛的理論方程,因此對于熱導率實驗測試方法和技術的探索,仍是物質熱導率資料的主要來源。

材料導熱率

物質

導熱率 W/mK

石墨烯

固態

(4840±440) - (5300±480)

鑽石固態900 - 2320
碳納米管紙固態450-800

固態

420

固態

401

黃金

固態

318

固態

237

白金

固態

70

固態

60

固態

60

固態

35

液態

8.34

固態

2

陶瓷

固態

1.22

玻璃

固態

1.1

液態

0.6

聚乙烯

固態

0.3

尼龍

固態

0.2

石蠟油

液態

0.2

石棉

固態

0.2

聚苯乙烯

固態

0.08

軟木塞

固態

0.05

採用在標準狀況下的資料。對于氣體,值是對應于cp。

前景與意義

隨著科學技術的快速發展,越來越多的高分子材料和納米材料不斷涌現出來。而對于各種新物質新材料的熱導率實驗測定,將開啓一個全新與未知的領域,這必然會帶動現代物理學科的一次新飛躍。同時也將為新型導熱材料和新型隔熱材料的開發與研究打下堅實的理論基礎。此舉將對未來的空間探索活動和海洋探索活動提供強大的理論與物質支持。人們希望得到高熱導率並且具有很好機械性能的材料,來解決現在電子產品的很重要的散熱問題,基于碳納米管的獨特徵能,來自清華大學的研究人員製備出的高性能的碳納米管紙在將來作為導熱材料有很大的套用前景。

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