热导率定义

导热系数是衡量材料导热能力的指标。它通常用 k、λ 和 κ 表示。与高导热材料相比，低导热材料传热速度较慢。 例如，岩棉或聚苯乙烯等绝缘材料能有效地保温，而金属通常具有很高的导热性，特别擅长传热。

因此，高导热材料常被用作散热器，而低导热材料则用作热绝缘材料。热阻是导热系数的倒数。

导热系数的公式是 K = (QL) / (AΔT) 。其中

Q 是热通量，k 是导热系数，ΔT 是温度梯度。 “傅里叶热传导定律”指的就是这个。导热系数最常见的定义是标量，但它也可以是二阶张量。然而，只有各向异性材料才需要张量描述。

根据热力学第二定律，当温度差扩散以达到平衡时，热量会从高温区域流向低温区域。热通量 Q，衡量热量在特定方向上单位面积上的传递速率，用于量化这一点（在这种情况下是负 x 方向）。在许多材料中，Q 与距离 L 成反比，与温差成正比。

热传导是通过分子随机运动，在温度差下输送能量的过程。它不同于通过对流和分子功进行的能量传递，因为它不涉及宏观流动或内部应力。

单位

在国际单位制 (SI) 中，导热系数的单位是瓦特每米-开尔文 (W/(mK))。 许多文章也用瓦特每厘米-开尔文 (W/(cmK)) 来表示他们的研究结果。

在英制单位中，导热系数使用 BTU/(hft°F) 进行计算。

使用质量 (M)、长度 (L)、时间 (T) 和温度 (Θ) 的单位，我们可以写出导热系数的量纲为 M¹L¹T⁻³Θ⁻¹。

建筑和纺织行业经常使用其他与导热系数密切相关的测量方法。R 值（电阻）和 U 值是建筑行业使用的两个指标（透射率或电导率）。R 值和 U 值是按单位面积测量的，并且取决于指定的产品或组件的厚度，尽管它们与绝缘产品或组件中使用的材料的导热系数相关。与建筑行业中的 R 值类似，纺织行业也使用多种单位，例如 tog 和 clo，来表示材料的耐热性。

衡量标准

导热系数的测量方法有很多种，但每种方法只适用于特定类别的材料。通常，有两种测量方法：稳态法和瞬态法。瞬态方法研究系统趋于稳态时的瞬时状态，而稳态方法则根据物质达到稳态环境温度后的状态数据推断导热系数。

稳态法由于没有明显的时间分量（稳态意味着信号恒定），因此不需要复杂的信号分析。缺点是大多数情况下需要精心设计的实验设备，并且由于达到稳态所需的时间，测量速度不快。

与固体材料相比，实验测量流体的热学性质更具挑战性。这是因为，除非采取措施抑制这些过程，否则对流和辐射传热通常也与热传导同时存在。此外，随着绝缘边界层的形成，导热系数也可能看似降低。

实验结果

常见化合物的导热系数至少相差四个数量级。总的来说，纯金属的导热性比气体高，而气体通常较低。例如，在正常情况下，铜的导热性比空气高一万倍以上。

石墨和金刚石等碳同素异形体经常被认为是室温下导热性最高的材料。在正常温度下，像铜这样高导电的金属无法与天然金刚石的导热性相比，天然金刚石的导热性要高得多（尽管具体数值因金刚石类型而异）。

这里列出了几种精选材料的导热系数；更详细的列表可以在导热系数列表中找到。这些数字仅作为示例估计值，不考虑测量歧义或材料规格的差异。

影响变量

• 温度

对于金属和非金属，温度与导热系数的关系是不同的。金属导热的主要原因是自由电子。 根据维德曼-弗朗茨定律，绝对温度（以开尔文为单位）乘以电导率大致与金属的导热系数成正比。在纯金属中，导热系数（电导率乘以温度）大致恒定，因为电导率随温度下降。

然而，当温度接近零度时，导热系数会迅速下降。在合金中，电导率的变化通常不那么明显，因此导热系数随温度升高而增加，通常是成比例的。许多纯金属的峰值导热系数在 2 至 10 K 之间。

另一方面，晶格振动（声子）是造成非金属导热的主要原因。声子的平均自由程随温度升高并不大大减小，除非是低温下的高质量晶体。因此，在高温下，非金属的导热系数大致保持不变。在远低于德拜温度的低温下，由于载流子与缺陷的散射，导热系数和热容都会下降。

• 物理状态

物质的导热系数在其相变（例如，从固态到液态）时可能会突然改变。 例如，在 0 °C 时，冰融化成液态水时，导热系数从 2.18 W/(mK) 降至 0.56 W/(mK)。流体的导热系数在接近汽液临界点时会更明显地发散。

• 热的各向异性

某些材料，如非立方晶体，根据晶轴的不同，其导热系数也可能不同。蓝宝石是一个突出的例子，其在 c 轴方向的导热系数为 35 W/(mK)，在 a 轴方向为 32 W/(mK)，显示出随方向和温度变化的导热性。木材的顺纹比横纹导热性好。

航天飞机热保护系统使用的材料、层压材料、经过大量冷压的金属以及纤维增强复合材料结构是其他一些导热性随方向变化的材料的例子。当存在各向异性时，热流可能不遵循与热梯度相同的路径。

• 导电性

根据维德曼-弗朗茨定律，金属的导热系数和电导率大致相关，因为自由移动的价电子可以同时输送热量和电量。由于声子载流子在非金属的热量传递中起着更大的作用，因此通常的电导率和热导率之间的关联不适用于其他材料。与金刚石相比，金刚石是一种电绝缘体，但由于其有序的原子排列，通过声子导热，而高导电的银的导热性较低。

• 磁场

热霍尔效应，也称为里吉-莱杜克效应，是指磁场对导热系数的影响。

• 气体的相态

在没有对流的情况下，空气和其他气体能很好地起到绝缘作用。因此，许多绝缘材料仅通过拥有大量阻止热量流动的气隙来发挥作用。例如，保暖衣物、膨胀和挤压聚苯乙烯（更常称为“泡沫塑料”）以及气凝胶都是此类材料。通过将空气困在天然、生物绝缘材料（如毛皮和羽毛）的孔隙、气泡或空腔中，也能获得类似的结果。

低密度气体（如氢气和氦气）的导热系数通常很高。高密度气体（如氙气和二氟二氯甲烷）的导热系数较低。由于其较大的热容，高密度气体六氟化硫是一个例外，具有相对较高的导热系数。比空气重的气体，如氩气和氪气，常用于双层玻璃窗以提高其绝缘性能。

• 原子纯度

如果其他晶格缺陷很少，晶体的同位素纯度可能对热导率有显著影响。一个著名的例子是金刚石，其在约 100 K 温度下的导热性从天然 IIa 型金刚石（98.9% 12C）的 10,000 Wm¹K¹ 增加到人工富集的（99.9%）金刚石的 41,000 Wm¹K¹。假设晶体在其他方面是纯净的，预计 99.999% 12C 在 80 K 时的值为 200,000。99% 同位素富集的立方氮化硼的导热系数为 1400 Wm¹K¹，比天然氮化硼高 90%。

• 预报

由于导热系数不断依赖于温度和材料成分等因素，有限数量的实验测量无法完全量化。如果相关的物理条件下的实验值不可用，则需要预测公式。这种能力对于热物理模拟至关重要，因为它允许包含无法直接测量的极端条件，并且温度和压力等变量随空间和时间不断变化。