材料物理性能：1.4 热传导 heat conduction.ppt

固体材料中内能的不均一性1.4热传导heatconduction热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导,固体材料的热传导的宏观规律热传导由于材料相邻部分发生能量迁移dT/dx(温度梯度）作用于产生T2傅立叶导热定律T1x固体中的质点被牢固联系在一起，质点有一定距离，不能象气体分子那样杂乱运动，也不像气体分子依靠质点直接碰幢传递热能固体之中的导热机构？热传导机理固体之中的导热是依靠可以移动的结构单元，晶格的格波和自由电子1 1）金属）金属之中是自由电子移动实现热量传递晶格振动也有贡献，只是很小2 2）合金中，声子的热导作用稍有增强3 3）半导体中，声子热导常常和电子热导相仿2.热传导机理4 4）在绝缘体之中，几乎全部是声子热导，非金属材料，自由电子很少，是依靠晶格振动-声子实现热传递5 5）光子热导只有在极高的温度下才能按照热辐射的形式发生非金属材料中，是依靠晶格振动实现热传递晶格振动的量度是声子，所以振动和声子是至关重要的热传导过程-声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程声子-温度频率为的格波的(平均)声子数为实际应用中，材料环境温度不是很大的时候，格波的光频之很微弱，热容讨论时候就忽略不计。

同样在传热中-温度不高的情况下，只考虑声频之的贡献声子的热传导机理把格波在晶格之中的传播看作是声子和物质之间的作用-就是声子的传播声子传播过程之中，就会和晶体之中的质点作用，叫声子散射热阻：声子扩散过程中的各种声子散射Cv：单位体积比热-单位体积中声子的比热；v：运动速度-声子的运动速度；l：平均自由程-声子的平均自由程Cv接近常数，在低温时它随T3变化；v为一常数主要讨论影响声子的自由程l的因素声子散射热导率在声子的碰撞过程中，平均两次碰撞之间所经在声子的碰撞过程中，平均两次碰撞之间所经过的路程叫声子的过的路程叫声子的平均自由程平均自由程L L影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：Kn=0形成新声子的动量方向和原来两个声子的方向相一致，此时无多大的热阻正规过程q1+q2=q3+Kn（1）声子的碰撞过程q1，q2相当大时，Kn0，碰撞后，发生方向反转，从而破坏了热流方向产生较大的热阻翻转过程（声子碰撞）Knq1+q2q2q1q 3声子碰撞的几率： exp(-D/2T)即温度越高，声子间的碰撞频率越高，则声子的平均自由程越短光子的导热过程又叫做-热辐射thermalradiation物体由于具有较高温度而辐射电磁波的现象。

是热的一种传递方式方式之一它不依赖物质的接触而由热源自身的温度作用向外发射能量由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式3.光子热导电磁波覆盖了一个较宽的频谱热辐射也是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线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3.光子热导固体中的辐射传热过程：吸收辐射热稳定状态辐射源T1T2能量转移辐射能的传递能力：波尔兹曼常数（5.6710-8W/(m2K4)；n：折射率；lr：光子的平均自由程固体中的辐射传热过程：吸收辐射辐射源T1T2物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关凡是将辐射热全部反射的物体称为绝对白体，能全部吸收的称为绝对黑体，能全部透过的则称为绝对透明体吸收系数接近于1的物体-作黑体即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量在空腔外观察，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体1.5材料的热稳定性 热稳定（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。

热冲击损坏的类型：抗热冲击断裂性-材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性-在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质假设长度是L的杆件，各向均质，温度由T0到T，杆件膨胀为L，如果自由膨胀，不会有任何应力存在如杆件两端固定，热膨胀不能自由实现，杆件之间必定产生应力这个应力等于把杆件由（L+L）压缩到L时的压缩力：热应力如果是在冷却过程，T0大于T，应力是正值，杆件断裂热应力热膨胀或收缩引起的热应力1.第一热应力断裂抵抗因子R仅考虑最大的热应力:越大，材料承受温度变化的能力温度变化的能力越大就是热稳定性越好定义表征材料热稳定性的因子（第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子）考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、弛豫性），散热有关2.第二热应力断裂抵抗因子R材料的热导率：热导率越大，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，对热稳定性有利传热的途径：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途径短，易使温度均匀快材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大-表面热传递系数h-材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表面积上，单位时间带走的热量。

影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数无单位越大对热稳定性不利材料的散热与下列因素有关说明：考虑以上因素，在实际应用之中，不是理想的骤冷那样，不是马上产生，有一些滞后，所以导出第二热应力断裂抵抗因子R2.第二热应力断裂抵抗因子R材料具有的不同热学性能，其结构起因是a晶格热振动b材料的晶质或者非晶质属性c材料体积的大小d材料的不同对称性具有N个原子的固体材料，在简谐近似下, 构成的晶体的晶格的原子格波振动数目,是a.2N b. 3 N c. 4N d.N+1练习题固体材料之中量子化了的晶格振动是a.振子b.光子c.介子d.声子杜隆伯替定律认为，在室温和更高的温度下，全部单原子(或者元素)固体的热容接近一个固定的数值(mol.K)：a.42.9b.52.9c.24.9d.34.9无机材料的结构对于材料热容影响是：a敏感b不敏感c有时敏感、有时不敏感d取决于结构对称无机材料的热膨胀来自于材料原子的a非简谐振动b简谐振动c原子的数目d原子的大小光学支格波与声学支格波本质上有何差别?晶体中声子数目是否守恒?和什么因素直接相关？如何关系？在甚低温下,德拜模型为什么与实验相符?.爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源是什么?温度对固体材料的热容的影响如何？作业1.4.1利用晶格振动理论说明：金属半导体和绝缘体之中，实现热导机理？。