基本介紹
- 中文名：導熱係數
- 外文名：thermal conductivity
- 相關定律：傅立葉定律
- 套用領域：物理學
- 學科範圍：凝聚態物理
簡介,傅立葉定律,影響因素,研究方法,材料熱導率,固體,液體,氣體,保溫材料,
簡介
導熱係數是建築材料最重要的熱濕物性參數之一，與建築能耗、室內環境及很多其他熱濕過程息息相關。
傅立葉定律
根據傅立葉定律，熱導率的定義式為
其中，x為熱流方向。
對於各向同性的材料來說，各個方向上的熱導率是相同的。
影響因素
不同物質導熱係數各不相同；相同物質的導熱係數與其的結構、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關。同一物質的含水率低、溫度較低時，導熱係數較小。一般來說，固體的熱導率比液體的大，而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由於這兩種狀態分子間距不同所導致。現在工程計算上用的係數值都是由專門試驗測定出來的。
隨著溫度的升高或含濕量的增大，所測5種典型建築材料的導熱係數都呈增大的趨勢。下面從微觀機理上對此加以分析。對多孔材料而言，當其受潮後，液態水會替代微孔中原有的空氣；而在常溫常壓下，液態水的導熱係數（約為0.59W/（m·K））遠大於空氣的導熱係數（約為0.026W/（m·K）），因此，含濕材料的導熱係數會大於乾燥材料的導熱係數，且含濕量越高，導熱係數也越大。若在低溫下水分凝結成冰，由於凍的導熱係數高達2.2W/（m·K）），因此材料整體的導熱係數也將增大。
與受潮帶來的影響不同，溫度升高會引起分子熱運動的加快，促進固體骨架的導熱及孔隙內流體的對流傳熱。此外，孔壁之間的輻射換熱也會因為溫度的升高而加強。若材料含濕，則溫度梯度還可能造成重要影響：溫度梯度將形成蒸汽壓梯度，使水蒸氣從高溫側向低溫側遷移；在特定條件下，水蒸氣可能在低溫側發生冷凝，形成的液態水又將在毛細壓力的驅動下從低溫側向高溫側遷移。如此循環往復，類似於熱管的強化換熱作用，使材料表現出來的導熱係數明顯增大。
研究方法
通常，物質的導熱係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，經過複雜的數學分析和計算可以獲得導熱係數。但由於理論的適用性受到限制，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於範圍廣泛的理論方程，因此對於導熱係數實驗測試方法和技術的探索，仍是物質導熱係數數據的主要來源。
導熱係數的測試分為動態法和穩態法，穩態法又分為熱流計法和防護熱板法。考慮到儀器精度以及控溫範圍，參照GB/T10294-2008標準，採用防護熱板法進行測試。
實驗儀器如圖所示，包括主體、冷熱源控制系統和智慧型測量儀3部分。
主體由熱板、冷板和試件夾緊系統組成。熱板包括主加熱板、護加熱板以及背護加熱板3個主要部分。主加熱板和護加熱板由電阻加熱器及智慧型測量儀控溫，背護加熱板由精密恆溫水槽控溫，使3塊加熱板的溫度保持一致。冷板由鋁板、半導體製冷體和冷卻水套組成，可精確控制冷板溫度在設定值。智慧型測量儀用於整個測試系統的溫度測量及控制，以實現全自動的測試。
每種材料各製備3~6個尺寸為30cm×30cm×3~5cm的試件，在不同溫度和含濕量下對導熱係數進行12~35次測試。測試前先將試件培養至不同的含濕量，然後將試件的各面用4層塑膠薄膜包裹起來。薄膜的水蒸氣滲透阻Sd > 1.5m，可視為不透氣。其厚度和熱阻分別為0.0225mm和0.000537m2K/W，均可以忽略。
材料熱導率
固體
固體是由自由電子和原子組成的，原子又被約束在規律排列的晶格中。相應的，熱能的傳輸是由兩種作用實現的：自由電子的遷移和晶格的振動波。當視為準粒子現象時，晶格振動子稱為聲子。純金屬中，電子對導熱貢獻最大，而在非導體中，聲子的貢獻起主要作用。
常用的固體導熱係數見表1。在所有固體中，金屬是最好的導熱體。純金屬的導熱係數一般隨溫度升高而降低。而金屬的純度對導熱係數影響很大，如含碳為1%的普通碳鋼的導熱係數為45W/m ·K ，不鏽鋼的導熱係數僅為16 W/m ·K 。
表1 常用固體材料的導熱係數
固體 | 溫度，℃ | 導熱係數λ，W/m·K |
鋁 | 300 | 230 |
鎘 | 18 | 94 |
銅 | 100 | 377 |
熟鐵 | 18 | 61 |
鑄鐵 | 53 | 48 |
鉛 | 100 | 33 |
鎳 | 100 | 57 |
銀 | 100 | 412 |
鋼(1%C) | 18 | 45 |
船舶用金屬 | 30 | 113 |
青銅 | 189 | |
不鏽鋼 | 20 | 16 |
石墨 | 0 | 151 |
石棉板 | 50 | 0.17 |
石棉 | 0~100 | 0.15 |
混凝土 | 0~100 | 1.28 |
耐火磚 | 1.04 | |
保溫磚 | 0~100 | 0.12~0.21 |
建築磚 | 20 | 0.69 |
絨毛毯 | 0~100 | 0.047 |
棉毛 | 30 | 0.050 |
30 | 1.09 | |
雲母 | 50 | 0.43 |
硬橡皮 | 0 | 0.15 |
鋸屑 | 20 | 0.052 |
軟木 | 30 | 0.043 |
玻璃毛 | -- | 0.041 |
85%氧化鎂 | -- | 0.070 |
TDD(岩棉)保溫一體板 | 70 | 0.040 |
TDD(XPS板)保溫一體板 | 25 | 0.028 |
TDD(真空絕熱)保溫一體板 | 25 | 0.006 |
TDD真空絕熱保溫板 | 25 | 0.006 |
ABS | -- | 0.25 |
液體
液體分成金屬液體和非金屬液體兩類，前者導熱係數較高，後者較低。在非金屬液體中，水的導熱係數最大，除去水和甘油外，絕大多數液體的導熱係數隨溫度升高而略有減小。一般來說，溶液的導熱係數低於純液體的導熱係數。表2列出了幾種液體的導熱係數值。
表 2 液體的導熱係數
液體 | 溫度，℃ | 導熱係數λ，W/m·K | |
50% | 20 | 0.35 | |
30 | 0.17 | ||
0~20 | 0.17 | ||
30 | 0.16 | ||
氯化鈣鹽水 | 30% | 30 | 0.55 |
乙醇 | 80% | 20 | 0.24 |
60% | 20 | 0.38 | |
甘油 | 40% | 20 | 0.45 |
正庚烷 | 30 | 0.14 | |
水銀 | 28 | 8.36 | |
硫酸 | 90% | 30 | 0.36 |
硫酸 | 60% | 30 | 0.43 |
水 | 30 | 0.62 |
氣體
氣體的導熱係數隨溫度升高而增大。在通常的壓力範圍內，其導熱係數隨壓力變化很小，只有在壓力大於196200kN/m2 ，或壓力小於2.67 kN/m2（20mmHg）時，導熱係數才隨壓力的增加而加大。故工程計算中常可忽略壓力對氣體導熱係數的影響。
氣體的導熱係數很小，故對導熱不利，但對保溫有利。常見的幾種氣體的導熱係數值見表3 。
表 3 氣體的導熱係數
氣體 | 溫度，℃ | 導熱係數λ，W/m·K |
0 | 0.17 | |
二氧化碳 | 0 | 0.015 |
空氣 | 0 | 0.024 |
空氣 | 100 | 0.031 |
甲烷 | 0 | 0.029 |
水蒸汽 | 100 | 0.025 |
氮 | 0 | 0.024 |
0 | 0.017 | |
0 | 0.024 | |
0 | 0.018 |
保溫材料
通常把導熱係數較低的材料稱為保溫材料（我國國家標準規定，凡平均溫度不高於350℃時導熱係數不大於0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料），而把導熱係數在0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。
導熱係數高的物質有優良的導熱性能。在熱流密度和厚度相同時，物質高溫側壁面與低溫側壁面間的溫度差，隨導熱係數增大而減小。比如：鍋爐爐管在未結水垢時，由於鋼的導熱係數高，鋼管的內外壁溫差不大。而鋼管內壁溫度又與管中水溫接近，因此，管壁溫差（內外壁溫度平均值）不會很高。但當爐管內壁結水垢時，由於水垢的導熱係數很小，水垢內外側溫差隨水垢厚度增大而增大，從而把管壁金屬溫度迅速抬高。當水垢厚度達到相當大（一般為1~3毫米）後，會使爐管管壁溫度超過允許值，造成爐管過熱損壞。對鍋爐爐牆及管道的保溫材料來講，則要求導熱係數越低越好。
一般常把導熱係數小於0.2W/(m·K)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠岩等。
