导热的基本定律及热导率探究

1.傅里叶定律

傅里叶定律指出：热流密度与该时间同一处的温度梯度成正比，而方向与温度梯度的方向相反。其数学表达式为

或

式中 ——热流密度（W/m²）；

λ——热导率[W/（m·K）]；

A——传热面积（m²）；

Q——热流量（W）。

傅里叶定律对稳态导热与非稳态导热均适用。对于简单的一维稳态导热，可直接积分上式求解热流密度。

2.热导率

热导率是物质的一个重要物性参数。其定义式由傅里叶定律给出，即

由式（2-3）可见，热导率λ是物体中单位温度梯度，单位时间通过单位面积的热量。它表征物体导热能力的大小。(www.xing528.com)

各种物质的热导率由实验测定。273K时常用物质的热导率λ列于表2-1。

表2-1 273K时常用物质的热导率λ [单位：W/（m·K）]

一般而言，金属的λ最大，是良导电体也是良导热体，液体次之，气体最小。工程上常把50～100℃时热导率小于0.2W/（m·K）的材料称为绝热材料。

热导率不仅随物质的品种而异，即使同一品种物质（特别是建筑材料和绝热材料），还与结构、密度、含湿量和温度等因素有关。经验证明：大多数绝热材料的热导率与温度的关系，在温度范围不大的情况下，可近似地认为是直线关系，即

λ=λ₀（1+bt） （2-4）

式中 λ——t温度时的热导率[W/（m·K）]；

λ₀——273K时的热导率[W/（m·K）]；

b——温度系数，由实验确定；

t——温度（℃）。

在工程计算中，一般取平均温度时的λ，并把它当作常量处理。

含湿量对建筑材料、绝热材料的热导率影响极大。由于这些材料的孔隙多，容易吸收水分，而水的热导率比空气大20～30倍，加上在导热过程中随着热量传递，水分会迁移，因此湿材料的λ甚至可能比纯水的λ还大。所以对于建筑物的围护结构，特别是冷藏库、冷藏设备及冷水管道等的绝热层，应采取良好的防潮措施。

此外，有些物质的各向结构不同，因而在各个方向上的热导率也有较大差异，这种材料称为各向异性材料。例如木材，顺木纹方向的λ值约是垂直于木纹方向的2～4倍。因此，在进行导热计算时，应根据导热方向不同而选取不同的λ值。