材料性能学-第7章ppt课件.ppt

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1、材料性能学1第七章材料的热学性能7.1热学性能的物理基础7.2热容7.3热膨胀7.4热传导2前言热是能量的一种表现形式。材料及其制品在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。材料的热学性能是表征材料与热相互作用行为的一种宏观特性，包括热容、热膨胀、热传导、热辐射、热稳定性等。3热学性能是实际应用中选择材料的基本依据之一。精密仪器、仪表、光学构件材料的热膨胀系数要低，热敏元件却相反。材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数相近、否则易漏气。工

2、业炉衬、建筑材料的导热系数要低；燃气轮机、晶体管散热器、暖气片却相反。航天飞行器的隔热材料不但导热系数要低，而且要有较大热容，从而使温度升高需要较大能量。4材料的组织结构发生变化时，热性能也会发生变化。热性能分析是材料研究中确定临界点并判断材料的相变特征的重要方法。5热容热膨胀热传导热稳定性升华熔化晶格热振动热性能的物理本质：晶格热振动（latticeheatvibration）7.1热学性能的物理基础67.1.1晶格热振动晶格热振动是三维的3个方向的线性振动晶格振动对晶体的许多性质有影响，各种热

3、学性能，例如，固体的比热、热膨胀、热传导等均与构成材料的质点热振动有关。固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(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，这种振动称为晶格热振动。7晶格热振动中质点的运动方程晶胞中只含有一个原子，每个原子都具有相同的质量m；晶格常数（平衡时原子间距）为a；热运动使原子离开平衡位置x，在任一瞬间该质点在x方向的位移为Xn，其相邻质点的位移为Xn-1，Xn+1，则第n个原子相对第n-1个原子间的位移是：Xn–Xn-1。n-2n-

4、1nn+1n+2n+3xn-2xn-1xnxn+1xn+2xn+38设：原子间的作用力是和位移成正比，但方向相反的弹性力；两个最近邻原子间才有作用力—短程弹性力。原子间的作用力服从虎克定律第n个原子受第n+1个原子的作用力：Fn，n+1=-Em(xn-xn+1)第n个原子受第n-1个原子的作用力：Fn，n-1=-Em(xn-xn-1)则第n个原子所受原子的总力为：F=Fn，n+1+Fn，n-1得：F=Em(xn+1+xn-1-2xn)Em为微观弹性模量9原子间的作用力服从牛顿定律即为简谐振动方程，

5、其振动频率随Em的增大而提高。7.1.2热量各质点热运动时动能的总和，即为该物体的热量，即：第n个原子运动方程：10格波：原子在平衡位置附近振动，不同格点的原子振动互相联系，以波的形式在晶体中传播，晶格振动是一种集体振动—称为格波；N个原子关联的位移描写一个振动。7.1.3格波(又称弹性波)晶格振动中的简谐振子的能量量子称为声子。格波的特点：晶格中原子的振动形成格波，格波只取呈周期性排列的格点的位置。一个格波解表示所有原子同时做频率为的振动，相邻原子间存在固定的位相。格波是多频率振动的组合波。1

6、1声频支振动格波中频率甚低的振动波，相邻原子具有相同的振动方向，质点彼此之间的位相差不大，此时格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。一维双原子点阵中的格波：声频支振动12光频支振动格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，相邻原子振动方向相反，形成了一个范围很小，频率很高的振动，频率往往落在红外光区，称为“光频支振动”。一维双原子点阵中的格波：光频支振动13147.2热容7.2.1热容的基本概念热容：没有相变或化学反应条件下，物体温度升高1K时所需的热量。比热容：单位质量的物体温度升高

7、1K时所需要的热量。平均比热容：15摩尔热容(Cm)：1mol材料的热容。定压热容(Cp或Cp,m)：升温过程压力一定时，1mol材料的热容。定容热容(Cv或CV,m)：升温过程体积一定时，1mol材料的热容。16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，即Cp>Cv，二者的关系为体积膨胀系数，为体积压缩率，Vm为摩尔体积。17对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。图7-1NaCl的摩尔热容-温度曲线18不同的物质有不同

8、的比热，比热是物质的一种特性，因此，可以用比热的不同来（粗略地）鉴别不同的物质（注意有部分物质比热相当接近）。同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化，如一杯水与一桶水，它们的比热相同。对同一物质，比热值与物态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的（忽略温度对比热的影响），但在不同的状态时，比热是不相同的。例如水的比热与冰的比热不同。比热特点19经典热容理论元素热容定律(Dulong-Petit定律)：元素原子的定容摩尔热容为25J/(K·mol)。该定律实质：晶体定容摩尔热