在固体物理理论中,我们用“格波”来描述晶格的集体振动。而相应的量子化,可以抽象出“声子”的概念。类比光子一样,我们可以想象晶格中的振动能量由一个个“声子”携带,而“格波”就可以看做是声子在固体里的自由扩散。
回到题主的问题上,绝缘体中的热传导有可以看作是材料中“声子”扩散运动的结果。可以近似的说:绝缘体的热导率正比于材料的单位体积热容,声子声速,和声子平均自由程。
上面提到了金属的热导率一般都比绝缘体高,但是绝缘体就没有一个能打的么?并不,金刚石第一个表示不服。
之前提到的绝缘体热导低是因为,声子热导很容易受到晶格缺陷、杂质等造成的散射影响。但是对于金刚石来说,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成了很完美的三维骨架。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导热性。金刚石的热导率一般为900~2320w/(m·k),其中Ⅱa型金刚石热导率极高,在液氮温度下为铜的25倍。
虽然金刚石的热导已经很逆天的高了,比金属还要高。但是我们还有更厉害的选手:
石墨烯作为第一代明星二维材料,有着完美的蜂窝状二维晶体结构。在石墨烯薄膜上,电子可以在离域π键上自由的移动。带来的结果是极大的电导率和热导率。
想实现更高的热导率,就要用到神奇的海螺(划掉重写——超流液氦)了。当液氦(指
)的温度降到
时,液氦从原来的正常流体转变为超流态。这种粘滞性为零的超流态,是一种可与超导媲美的宏观量子效应。处于超流态的液氦的热导率很大,数量级为室温下铜的800倍,达到
。
如果在不破坏材料的前提下,超流液氦应该是已知的物质中可以实现最快温度变化的了。具体的数值多少
,可以把热导率代入热传导方程
,给定一个热源,解温度的含时变化就可以得到。(说人话:答主犯懒不想算了,求评论区大神了)2. 在极端条件下的情况
上面的讨论都是基于材料的性质不被破坏的情况下,下面我们开始玩点暴力的。
很容易想到,如果外界施加极低/极高温度,材料的温度也会急剧变化。这种温度的变化十分剧烈,以至于材料不能维持其本身的稳定结构。生活中的体验就是,往冷玻璃杯里倒热水时,玻璃杯可能会破裂。不过,其实这种“暴力”的操作在材料学的研究中也很常见,举个最简单的例子——玻璃态金属。
大部分金属材料具有很高的有序结构,但是急速降温下有序的结构会被破坏。1960年