材料性能与测试课件第十一章材料的热性能.ppt

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1、第十章材料的热学性能1§引言材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导。也是材料物理性能的重要组成部分。热传导是热量传递的三种基本方式之一；热性能在材料相变研究有重要的理论意义；工程上应用广泛，如航天耐热导热隔热材料，可抵御高热、保护人机安全，节约能源；冶金工业中耐火材料的设计；本章概括地介绍热学性能的物理概念、影响因素、测量方法以及在材料研究中的应用。2§目录§11.1热学性能的物理基础§11.2热容§11.3热膨胀§11.4热传导3§11.1热学性能的物理基础1.晶格热振动固体材料的各种热学性能，均与构成材料

2、的质点(原子、离子)热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动。晶格热振动是三维的，3个方向的线性振动简谐振动方程：振动频率随Em(微观弹性模量)的增大而提高m－质量，x－质点的位移量4弹性波(又称晶格波，其能量量子称为声子)多频率振动的组合波(1)声频支振动:如果振动着的质点中包含频率很低的格波，质点彼此之间的位相差不大（2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很大，频率往往在红外光区，（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光频支可以看成相邻原子振动方向相反

3、，形成一个范围很小、频率很高的振动2.弹性波5在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为J/K，不同材料，热容量不同热容表达式为：单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容”,单位为J／(kg·K)；1mol材料的热容则称为“摩尔热容”，单位为J／(mol·K)§11.2热容1.基本概念6同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工程上所用的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的热量的平均值:T1－T2的范围愈大，精确性愈差当温度T2无限

4、趋近于T1时，材料的比热容，即Q-热量；E－内能；H－焓加热过程恒压条件，所测定的比热容称为比定压热容(Cp)加热过程容积不变时，所测定的热容称为比定容热容(Cv)7恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量Cp＞Cv根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：αV＝dV/VdT,容积热膨胀系数；Vm:摩尔容积；β＝-dV/Vdp，三向静力压缩系数;8a.元素的热容定律杜隆—珀替定律：“恒压下元素的原子热容等于24.9J／(K·mol)”b.化合物热容定律柯普定律

5、：“化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和”固体材料的热容两个经验定律9能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能都为(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于3kT，一摩尔固体中有NA个原子总能量1mol单原子固体物质的摩尔定容热容为经典热容理论NA－阿伏加德罗常数6.02×1023/mol；k－波尔兹曼常数1.381×1023J/K；R－气体常数8.314J/Kmol；认为：热容是与温度无关的常数，杜隆—珀替定律的实质10对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为C

6、v、m＝2×25J／（K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3×25J／(K·mol)；杜隆—珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温下时却相差较大，实验结果表明．材料的摩尔热容，是随温度而变化的112.固体热容的量子理论同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不同，同一质点振动的能量在不同时刻，大小不同，而且振动能量是量子化的。1)爱因斯坦模型爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的振子．原子都以相同的频率振动。式中fE称为爱因斯坦函数，R＝NAk，θE＝hv/k，爱因斯坦温度

7、；T很大时，CVm≈3R＝24.9J/mol·K,和杜-铂定律符合12T很低时，依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按T³变化的规律忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因2)德拜(Debye)模型晶体中原子存在弹性斥力和引力，相互作用的．对热容的主要贡献是弹性波的振动，即声频支，在低温下占主导地位．晶体近似视为连续介质，声频支的振动近似地看作是连续的13式中fD称为德拜比热函数，x＝θD/T,R＝NAk，θD＝hv/k，德拜温度；T很大时，CVm≈3R＝24.9J/mol·K,和杜-铂定律

8、符合;温度很低时，符合实验T立方规律金属德拜温度是金属本征物理量，可间接反映原子间得结合力强弱，熔点高，结合力强，德拜温度高；Ar－元素相对原子量，Vm－摩尔体积14德拜模型虽比爱因斯坦模型进步，能解释部分金属德实验现象，但不完全适合其它化合物，因为把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高部分不适用，因此金属在很高温度(大于1000K)、极低温度(小于5K)不符合。另外，实际材料多相，杂质晶界影响，