Исследование зависимости теплопроводности твердых тел от температуры: Методические указания к лабораторной работе № 1 по дисциплине «Теплофизика», страница 2

Теплопроводность полупроводниковых материалов возрастает с повышением температуры. Это возрастание обусловливается теми же причинами, что и у металлов и диэлектриков, и значительно зависит от электропроводности. На величину теплопроводности материалов и ее температурную зависимость влияют также структура, пористость, химический состав и другие факторы, характеризующие реальный материал. Теплопроводность материалов обычно возрастает (по линейному закону) с повышением внешнего давления. Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом удельной теплопроводности, который зависит от рода и физического состояния материала и является коэффициентом пропорциональности в основном законе теплопроводности материалов - законе Фурье, связывающем величину плотности теплового потока q (количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности) с градиентом температуры:

q_х= - l (дТ/дх); = - l(дТ / д),                                    (1)

где - единичный вектор, направленный по нормали к изотермическoй  поверхности. Этот закон справедлив для однородных изотропных материалов  при условии зависимости и независимости теплопроводности материалов от температуры. Коэффициент теплопроводности является величиной, показывающей, какое количество тепла передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки толщиной в единицу при разности температур между поверхностями стенки в один градус. У  однородных анизотропных материалов направление вектора плотности теплового потока в какой - либо точке не будет нормальным к изотерме, проходящей через эту точку. В этом случае основные  уравнения (в простейшем виде) имеют вид:

q_x=-(l₁₁(дТ/дх)+l₁₂ дТ/ду+l₁₃ (дТ/дz),

q_y=-(l₂₁(дТ/дх)+l₂₂ дТ/ду+l₂₃ (дТ/дz),

q_z=-(l₃₁(дТ/дх)+l₃₂ дТ/ду+l₃₃ (дТ/дz),

откуда следует, что коэффициенты теплопроводности таких материалов являются компонентами тензора второго ранга. Коэффициент теплопроводности изотропных, но неоднородных дисперсных и пористых материалов оценивают, используя расчетные методы, основанные на различных моделях структуры материала. У таких материалов зависимость теплопроводности от температуры может иметь разный характер. Коэффициент теплопроводности различных материалов изменяется в широких пределах.

Так, коэффициент теплопроводности аморфных изоляционных материалов составляет приближенно 0,0326...0,163 Вт/(м × К); неорганических жидкостей 0,0163...1,63 (органических 0,147...0,130); неорганических водных растворов 0,245...1,793 (органических 0,212...1,956); порошков 0,0326...2,119; огнеупорных материалов 0,21—48,0; кристаллов 0,978...97,8; жидких металлов 12,225...146,70; технических сплавов металлов 22,005...326,0; чистых металлов 11,41...652,0 Вт/(м × К).

Методы экспериментального определения коэффициента теплопроводности основаны на использовании уравнения (1) для стационарной (не зависящей от времени) либо нестационарной теплопроводности материалов и опытном определении температурных распределений и тепловых потоков в образцах простейшей формы. В методах нестационарной теплопроводности материалов используют квазистационарные (регулярные) режимы нагрева (охлаждения) и чисто нестационарные. Для всех методов, основанных на закономерностях нестационарной теплопроводности, необходимы строго заданные на поверхности образцов граничные условия теплообмена (первого, второго, третьего, четвертого рода либо их сочетания).