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導熱係數

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導熱係數是指在穩定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側表面的温差為1度(K,℃),在一定時間內,通過1平方米麪積傳遞的熱量,單位為瓦/米·度 (W/(m·K),此處為K可用℃代替)。 [1] 
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。 [2] 
導熱係數僅針對存在導熱的傳熱形式,當存在其他形式的熱傳遞形式時,如輻射、對流和傳質等多種傳熱形式時的複合傳熱關係,複合傳熱關係通常被稱為表觀導熱係數、顯性導熱係數或有效導熱係數(thermal transmissivity of material)。此外,導熱係數是針對均質材料而言的,實際情況下,還存在有多孔、多層、多結構、各向異性材料,此種材料獲得的導熱係數實際上是一種綜合導熱性能的表現,也稱之為平均導熱係數
中文名
導熱係數
外文名
thermal conductivity
相關定律
傅立葉定律
應用領域
物理學
學科範圍
凝聚態物理

導熱係數傅立葉定律

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根據傅立葉定律,熱導率的定義式為
其中,x為熱流方向。
為該方向上的熱通量,W/m2
為該方向上的温度梯度,單位是 K/m。
對於各向同性的材料來説,各個方向上的熱導率是相同的。 [3] 

導熱係數影響因素

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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、温度、壓力等因素有關。同一物質的含水率低、温度較低時,導熱係數較小。一般來説,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。工程計算上用的係數值都是由專門試驗測定出來的。
隨着温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;而在常温常壓下,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。若在低温下水分凝結成冰,由於冰的導熱係數高達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,温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温度的升高而加強。若材料含濕,則温度梯度還可能造成重要影響:温度梯度將形成蒸汽壓梯度,使水蒸氣從高温側向低温側遷移;在特定條件下,水蒸氣可能在低温側發生冷凝,形成的液態水又將在毛細壓力的驅動下從低温側向高温側遷移。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。 [2] 

導熱係數研究方法

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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,而且隨着新材料的快速增多,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。 [3] 
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温範圍,參照GB/T10294-2008標準,採用防護熱板法進行測試。
實驗儀器如圖1所示,包括主體、冷熱源控制系統和智能測量儀3部分。
圖1 圖1
主體由熱板、冷板和試件夾緊繫統組成。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能測量儀控温,背護加熱板由精密恆温水槽控温,使3塊加熱板的温度保持一致。冷板由鋁板、半導體制冷體和冷卻水套組成,可精確控制冷板温度在設定值。智能測量儀用於整個測試系統的温度測量及控制,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,在不同温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層塑料薄膜包裹起來。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。 [2] 

導熱係數材料熱導率

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導熱係數固體

固體是由自由電子原子組成的,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。 [3] 
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温度升高而降低。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
温度,℃
導熱係數λ,W/m·K
300
230
18
94
100
377
熟鐵
18
61
鑄鐵
53
48
100
33
100
57
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
保温磚
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)保温一體板
70
0.040
TDD(XPS板)保温一體板
25
0.028
TDD(真空絕熱)保温一體板
25
0.006
TDD真空絕熱保温板
25
0.006
ABS
--
0.25

導熱係數液體

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温度升高而略有減小。一般來説,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

温度,℃
導熱係數λ,W/m·K
醋酸
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

30
0.62

導熱係數氣體

氣體的導熱係數隨温度升高而增大。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,但對保温有利。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
温度,℃
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
0
0.024
0
0.017
0
0.024
0
0.018

導熱係數保温材料

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通常把導熱係數較低的材料稱為保温材料(我國國家標準規定,凡平均温度不高於350℃時導熱係數不大於0.12W/(m·K)的材料稱為保温材料),而把導熱係數在0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保温材料。
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,物質高温側壁面與低温側壁面間的温度差,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,鋼管的內外壁温差不大。而鋼管內壁温度又與管中水温接近,因此,管壁温差(內外壁温度平均值)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,水垢內外側温差隨水垢厚度增大而增大,從而把管壁金屬温度迅速抬高。當水垢厚度達到相當大(一般為1~3毫米)後,會使爐管管壁温度超過允許值,造成爐管過熱損壞。對鍋爐爐牆及管道的保温材料來講,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)的材料稱為保温材料。例如石棉、珍珠岩等。 [3] 
參考資料
  • 1.    中國建築業協會建築節能專業委員會.建築節能:怎麼辦?:中國計劃出版社,1997.10:第207頁
  • 2.    温度和含濕量對建築材料導熱係數的影響 孫立新; 馮馳; 崔雨萌 土木建築與環境工程 2017-12-15
  • 3.    葛新石 葉宏.傳熱和傳質基本原理.北京:化學工業出版社,2007:36-37