導(dǎo)熱系數(shù)(通常用k、λ或κ表示)是指材料傳遞或傳導(dǎo)熱量的固有能力。它是除對流和輻射以外的第三種傳熱方法。導(dǎo)熱過程可以用適當(dāng)?shù)乃俾史匠虂砹炕?。這種導(dǎo)熱模式下的速率方程基于傅立葉導(dǎo)熱定律。
它也被定義為單位時(shí)間內(nèi),每單位厚度(1m)的材料,通過單位面積(1m 2)傳遞的熱量值。
導(dǎo)熱系數(shù)是通過分子不間斷碰撞產(chǎn)生的,并不會(huì)導(dǎo)致固體本身的整體運(yùn)動(dòng)。熱量沿著溫度梯度移動(dòng),即從高溫和高分子能量的區(qū)域移動(dòng)溫度較低和分子能量較低的區(qū)域。這種轉(zhuǎn)移將持續(xù)到熱平衡。熱量傳遞的速率取決于溫度梯度的大小和材料的熱特性。
導(dǎo)熱系數(shù)使用國際單位制(SI 單位)W/m•K(瓦特每米每開氏度)進(jìn)行量化,是熱阻率的倒數(shù),它是測量物體抵抗熱傳遞的能力。導(dǎo)熱系數(shù)可以使用以下公式計(jì)算:
k=Q?L/A(T2-T1)
其中:
Q即熱流(W)
L即材料的長度或厚度(m)
AA 即材料面積(m2)
T2?T1即溫度梯度差(K)
導(dǎo)熱系數(shù)變化
特定材料的熱導(dǎo)率高度依賴于許多因素。這些因素包括溫度梯度、材料的性質(zhì)以及熱量所遵循的路徑長度。
我們周圍的材料的熱導(dǎo)率變化很大,例如從低熱導(dǎo)率的空氣( 0°C 時(shí)為 0.024 W/m•K )到銅等高導(dǎo)電性金屬(385 W/m•K)。
材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定了我們?nèi)绾问褂盟鼈?,例如,?dǎo)熱系數(shù)低的材料在住房和企業(yè)隔熱方面表現(xiàn)出色,而高導(dǎo)熱材料則非常適合需要將熱量快速有效地從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域的應(yīng)用,比如廚具和電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。通過選擇合適的熱導(dǎo)率應(yīng)用材料,我們可以獲得盡可能最佳的材料性能。
導(dǎo)熱系數(shù)和溫度
由于分子運(yùn)動(dòng)是熱導(dǎo)的基礎(chǔ),因此材料的溫度對熱導(dǎo)率有很大影響。分子在更高的溫度下移動(dòng)得更快,因此熱量將以更高的速率通過材料傳遞。這意味著同一樣品的熱導(dǎo)率可能會(huì)隨著溫度的升高或降低而急劇變化。
了解溫度對熱傳導(dǎo)的影響能力,對于確保產(chǎn)品在受到熱應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)如預(yù)期至關(guān)重要。這在使用會(huì)產(chǎn)生熱量的產(chǎn)品(例如電子產(chǎn)品)以及開發(fā)防火和防熱材料時(shí),顯得尤其重要。
導(dǎo)熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)
不同材料之間的熱導(dǎo)率值差異很大,并且高度依賴于每種特定材料的結(jié)構(gòu)。 材料會(huì)根據(jù)熱傳播的方向而具有不同的熱導(dǎo)率值。 在這些情況下,由于結(jié)構(gòu)的排列方式,熱量更容易沿某個(gè)方向移動(dòng)。
在討論熱導(dǎo)率趨勢時(shí),材料可分為三類:氣體、非金屬固體和金屬固體。這三個(gè)類別在傳熱方面的不同能力可歸因于它們的結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的差異。
氣體的相對熱導(dǎo)率較低,因?yàn)樗鼈兊姆肿硬幌窆腆w中的分子那樣緊密,因此熱傳遞高度依賴于分子的自由運(yùn)動(dòng)和分子速度。
氣體是較差的熱量傳送器。而非金屬固體中的分子結(jié)合成晶格網(wǎng)絡(luò),因此熱導(dǎo)率主要通過這些晶格中的振動(dòng)發(fā)生。與氣體分子相比,非金屬固體分子非常接近,這意味著非金屬固體相比氣體具有更高的熱導(dǎo)率。
而這種變化部分歸因于固體中存在的空氣量,具有大量氣穴的材料是出色的絕緣體,而那些更緊密填充的材料將具有更高的熱導(dǎo)率值。
金屬固體中的熱導(dǎo)率與前面的例子再次不同。在石墨烯之外的所有材料中,金屬的熱導(dǎo)率最高,并且兼具導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的組合。這兩個(gè)屬性都是由相同的分子傳遞的,兩者之間的關(guān)系由維德曼-弗蘭茲定律定律可以來釋義。該定律證明,在一定溫度下,許多金屬材料的熱導(dǎo)率與其電導(dǎo)率之比約為常數(shù),不隨金屬不同而改變。然而,隨著溫度的升高,材料的熱導(dǎo)率將增加,而導(dǎo)電率將收縮。
金屬固體中的熱導(dǎo)率與前面的例子再次不同。在石墨烯之外的所有材料中,金屬的熱導(dǎo)率最高,并且兼具導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的組合。這兩個(gè)屬性都是由相同的分子傳遞的,兩者之間的關(guān)系由維德曼-弗蘭茲定律定律可以來釋義。該定律證明,在一定溫度下,許多金屬材料的熱導(dǎo)率與其電導(dǎo)率之比約為常數(shù),不隨金屬不同而改變。然而,隨著溫度的升高,材料的熱導(dǎo)率將增加,而導(dǎo)電率將收縮。
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