熱導率是什麼?

熱導率(通常以 k、λ 或 κ 表示)是指材料傳導熱量的能力。傳導是三種傳熱方式之一,另外兩種是對流和輻射。傳熱過程可以用適當的速率公式來量化。這種傳熱模式下的速率公式由傅里葉熱傳導定律所導出。

這也被定義為單位時間內每單位面積通過材料的單位厚度的傳導熱量,板的表面相差一個單位的溫度。

熱傳導通過分子攪拌和接觸發生,不會導致固體本身的整體運動。熱量沿著溫度梯度移動,從高溫和高分子能量區域到溫度較低和分子能量較低區域。這種轉移將持續達到熱平衡。熱量傳遞速率將取決於溫差大小和材料的熱特性。

熱導率的單位使用國際單位制(SI 單位)W/m•K,並且是熱阻率的倒數,而熱阻率測量物體抵抗熱傳遞的能力。 熱導率方程可以使用以下公式計算:

Q : 熱流量(W)
L : 材料的長度或是厚度(m)
A : 材料的表面面積(m​²)
T2−T1 =  溫度梯度(K)


熱導率變化

特定材料的熱導率取決於許多因素。 包括溫度梯度、材料特性以及熱量流通的路徑長度。

常見材料的熱導率範圍非常廣,從低熱導率的材料(例如在 0°C 時為 0.024 W/m•K 的空氣)到高熱電率的金屬(例如銅)(385 W/m•K)。

材料的導熱率決定如何使用它們,例如,熱導率低的材料在隔熱方面表現出色,而高熱導材料適合使用於將熱量快速的從一個區域轉移到另一個區域的應用。 如同廚房設備中的炊具或是冷卻系統。 透過得知每種材料的熱導率,可以實現其最佳應用。


熱導率和溫度

分子運動是熱傳導的基礎,因此材料的溫度對熱導率有很大影響。分子在高溫下移動得更快,因此熱量將以更高的速率透過材料傳遞。這代表同一種樣品的熱導率可能隨著溫度的升高或降低而產生急劇變化。

了解溫度對熱傳導的影響,對於確保產品在受熱時是否如預期相當重要。這在使用會產生熱能的產品(例如電子設備)以及開發防火和防熱材料時尤其重要。


熱導率和結構

材料之間的熱導率差異很大,取決於各自不同的結構。有些材料會根據熱傳導的方向而具有不同的熱導率,這些是各向異性材料。 在這些情況下,由於結構的排列方式,熱量更容易沿某個方向移動。

在討論熱導率趨勢時,材料可分為三類; 氣體、非金屬固體和金屬固體。 這三種類別在傳熱方面的有各自不同的能力,可歸因於它們的結構和分子運動的差異。

氣體具有較低的相對熱導率,因為它們的分子不像固體中的那樣緊密堆積,因此熱傳遞高度依賴於分子的自由運動和分子速度。

氣體是較差的熱傳導介質。相反的,在非金屬固體中的分子結合成晶格網狀,而熱傳導主要透過這些晶格的振動而產生。與氣體分子相比,這些分子的緊密排列意味著非金屬固體在這兩者中有更高的熱導率,然而還有一項關鍵因素影響著非金屬固體的熱導率。

那就是存在於固體中的空氣,具有大量空隙的材料是出色的絕熱體,而那些更緊密、幾乎沒有空隙的材料將具備更高的導熱率。

金屬固體的熱導率與前面提的兩者有所不同。除了石墨烯以外的所有材料中,金屬具備最高的熱導率,並兼具高導電性。 這兩個性質都是由同一種分子傳遞,兩者之間的關係可以用維德曼–夫蘭茲定理來解釋。 該定律證明在一定溫度下,導電率與熱導率成正比,但當溫度升高到一定程度後,材料的熱導率會增加,而導電率會縮小。


熱導率測試和測量

熱導率是分辨材料的關鍵,了解它也使我們在生活的各方面應用獲得最佳體驗。 有效的熱導率測試和測量則對如何應用這方面至關重要。 熱導率測試方法可分為穩態或瞬態。主要代表的是如何取得熱導率的決定性特徵。穩態方法要求樣品和參考品在測量開始之前就處於熱平衡狀態。 瞬態方法則不需要滿足此條件,就可以更快地提供結果。


研究文獻

Preparation of porous mullite ceramics with low thermal conductivity

本研究分析了莫來石粉末通過發泡和澱粉作用下固化形成的莫來石陶瓷,及其導熱率如何隨陶瓷孔隙率變化而變化。隨著莫來石陶瓷的孔隙率增加,熱導率也增加。

 

A nano-graphite/paraffin phase change material with high thermal conductivity

利用奈米石墨(NG)/石蠟作為複合材料的添加物。 奈米石墨的添加增加複合材料的熱導率。含10% NG的材料,其熱導率為 0.9362 W/m•K


參考文獻:
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Available at: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html#c1
NDT Course Material. “Thermal Conductivity”. NDT Resource Center.
Available at: https://www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Physical_Chemical/ThermalConductivity.htm
Williams, M. “What is heat conduction?”. Phys.Org. December 9, 2014.
Available at: http://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html
What do you mean by thermal conductivity? Retrieved from Definition of Thermal Conductivity
Thermtest Materials Thermal Properties Database. List of Thermal Conductivities