无机材料物理性能-习题讲解课件.ppt

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1、第二章材料的热学性能---习题讲解1.热容的本质是什么？定压热容与定容热容的区别与联系。物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容。物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定的热容称为恒压热容(Cp)；加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容(Cv)。根据热力学第二定律，定压加热时，材料要对外界作功，所以一般有Cp>Cv，它们间的关系为：对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。2.简述固体热容的爱因斯坦模型与德拜模型有何异同，比较其主要结果？3.影响热容的因素有哪些？温度对热

2、容的影响：在德拜温度以上，热容为常数或随温度只有微小的变化，Cv变化很小，接近常数3R。在低温条件下，Cv∝T3。在高温与低温之间，情况比较复杂，德拜温度可以看作是两者间的转折点。键强度，弹性模量和熔点的影响：德拜温度取决于材料的键强度，弹性模量和熔点。德拜温度通常为熔点的0.2～0.5倍。无机材料的热容对材料的结构不敏感，相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变4.试用原子势能曲线的不对称性解释热膨胀是晶格振动非简谐效应所引起的晶格振动中相邻质点间的作用力，实际上是非线性的，即作用力并不简单地与位移成正比。质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位

3、置r0的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当rr0时，斜率较小，所以rr0时，引力随位移的增大要慢些，在这样的受力情况下，质点振动时的平均位置就不在r0处而要向右移，因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。从位能曲线的非对称性同样可以得到较具体的解释，温度愈高，平均位置移得愈远，晶体就愈膨胀。5.在各向异性晶体中，沿a，b，c轴的线膨胀系数分别为a，b和c，体膨胀系

4、数为v，证明v≈a+b+c。将上面各项乘开，由于α很小，可略去二次项以上的高次无穷小项，则：故有：6.声子产生热阻的本质是什么？格波在晶体中传播时遇到的散射，即声子同晶体中质点的碰撞；理想晶体中热阻的来源，主要是声子同声子的碰撞引起的。所以说声子间的碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。引起散射的其它原因还有：缺陷、杂质、晶粒界面等。7.影响热导率的因素有哪些？温度的影响:低温：主要是声子传导。自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点，低温时，上限为晶粒的距离，在高温时，下限为晶格的间距。高温下热辐射显著，光子传导占优势；在低温时，热导率λ与T3成比例

5、。高温时,λ则迅速降低。晶体结构（显微结构）的影响结晶构造的影响：声子传导与晶格振动的非谐和有关。晶体结构越复杂，晶格振动的非谐和越大，自由行程则趋于变小，从而声子的散射大，λ低。各向异性晶体的热导率：也呈各向异性，膨胀系数低的方向热导率最大。温度升高，不同方向的λ的差异减小，与热膨胀类似。多晶体与单晶体的热导率：同一种物质，多晶体的热导率总比单晶体小，但在低温下，多晶热导率与单晶的平均热导率一致。温度升高，差异迅速变大。这是因为：多晶体中晶粒尺寸小、晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子容易散射，故平均自由行程小，从而λ小。温度增高，这种阻碍作用更为明显。化学

6、组成的影响质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，λ则升高。缺陷和杂质会导致声子散射，降低声子的自由行程；固溶体的形成也是如此。取代元素的质量大小与基质元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，对λ影响也愈大。多相材料：如气孔的影响：在不改变结构状态的情况下，气孔率的增大，总是使导热系数降低，多孔/泡沫硅酸盐/纤维制品/粉末和空心球状轻质陶瓷制品的保温原理，最好是均匀/分散的封闭气孔。8.解释热膨胀的机理。影响热膨胀的因素有哪些？固体材料热膨胀的本质,在于点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。按照简谐振动理论解释：温度变化只能改变振幅的大小不

7、能改变平衡点的位置。用非简谐振动理论解释热膨胀机理。（利用在相邻原子之间存在非简谐力时，原子间的作用力的曲线和势能曲线解释。）影响因素有：化学键型：化学键的键强越大，膨胀系数越小。与结合能和熔点：结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。温度和热容：温度T越低，tgθ越小，则α越小；反之，温度T愈高，α愈大。结构：结构紧密的固体，膨胀系数大；固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。9.证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变对于内含均匀分散

8、气孔的固体材料，可视为固相与气相组成的