材料的热学性能教程文件.ppt

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1、材料的热学性能气敏传感器压敏传感器研究材料和生产材料的目的应用材料材料能否达到要求优劣、性能价格比性能如何表征和测试性能的物理本质影响性能的因素如何正确选择材料和提高材料的性能材料物理与性能学的研究内容8材料的分类9本课程主要内容材料的几类主要性能：热学性能力学性能电性能磁性学习目的：了解材料的各类性能；学习一些材料性能的表征及测试方法；加深理解材料结构与性能的关系。第一章材料的热学性能1.1热学性能的物理基础热平衡——动态平衡热平衡：系统内无隔热壁时系统温度处处相等；系统与环境之间无隔热壁时系统与环境温

2、度相等。力平衡——无刚性壁时，无受力不均现象。相平衡——各相之间不随时间发生变化。化学平衡——化学组成和物质数量不随时间变化。热力学相关定律热力学第一定律——能量守恒，只说明了功、热转化的数量关系；热力学第二定律——过程的方向性热力学第三定律——规定熵热力学基本定律与宏观物理性能的联系结论：低温时，原子排列疏松结构的自由能较大；高温时，原子排列紧密结构的自由能较大。结合麦克斯韦方程说明高温低温G=H-TSH=U+PV1.1.4热性能的物理本质热性能的物理本质——晶格热振动牛顿第二定律简谐振动方程：温度↑，

3、动能↑→频率、振幅↑各质点热运动时动能的总和，就是该物体的热量1.2材料的热容热容C：一定条件下，温度升高1K，系统所需要增加的热。用以衡量分子热运动能量随温度变化的物理量，单位：J·K-1。摩尔热容：1摩尔物质的热容，用Cm表示，单位是J·mol-1·K-1。比热容：1千克物质的热容，用c表示，单位是J·kg-1·K-1。定压热容和定容热容：等压条件下的热容称定压热容，用符号Cp表示；等容条件下的热容称定容热容，用符号CV表示。，等压热膨胀系数；，等温压缩系数；说明：根据热力学状态函数特征推导热容、热膨

4、胀、热稳定性之间存在什么联系？热容的经验定律和经典理论1.杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为。元素HBCOFSiPSCl9.611.37.516.720.915.922.522.520.4轻元素的原子热容需改用表中的值2.柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和，即为化合物中元素i的原子数，为元素i的摩尔热容。用途：杜隆－珀替定律：从比热推算未知物质的原子量柯普定律：可得到原子热即摩尔热容，进一步推算化合物的分子热。存在的问题：杜隆—珀替定律在高温时与实验结果很吻合，但在低温时，CV

5、的实验值并不是一个恒量，它随温度降低而减小，在接近绝对零度时，热容值按T3的规律趋于零。量子理论！热容的量子理论爱因斯坦量子热容模型德拜比热模型简化模型：普朗克量子理论基本观点：同一物体内，同一温度下，质点的热振动大小不是一个定值，即动能大小不是定值，但能量是量子化的。热容的量子理论1)爱因斯坦热容模型：基本观点：原子的振动是独立而互不依赖的；具有相同的周围环境，振动频率都是相同的；振动的能量是不连续的、量子化的。结论：1.高温时，Cv=3R，与杜隆-珀替公式相一致。2.低温时，Cv随T变化的趋势和实验结

6、果相符，但是比实验更快的趋近于零。3.T→0K时，Cv也趋近于0，和实验结果相符。热容的量子理论2）德拜比热模型基本观点：晶体中原子具有相互作用，晶体近似为连续介质。由于晶格中对热容的主要贡献是弹性波的振动，声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似看成连续介质。结论：1.温度较高时，即T》θD时，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。2.温度较低时，即T《θD时，Cv与T3成正比并随T→0而趋于0.3.温度越低，与实验值越吻合。弥补了爱因斯坦量子热容模型的不足；但不能解释超导等复杂问题，因为晶体不是连续体

7、。无机材料的热容图1.5不同温度下某些陶瓷材料的热容θD≈0.2-0.5T熔多数氧化物、碳化物，约1273K后，热熔为25J/（K·Mol）注意：无机材料的摩尔热容与材料结构关系不大；体积热容和材料结构中的气孔率密切相关。固体材料热容Cp与温度T的经验公式：Cp的单位为4.18J/(K.mol)多孔材料质量轻，体积热容小。例：硅藻土，泡沫刚玉等。实验证明，573K:ni为化合物中元素的原子数，Ci为化合物中元素i的摩尔热容。适用：1.大多数氧化物和硅酸盐化合物。2.多相复合材料，如下gi为材料中第i种组成

8、的质量百分数，Ci为材料中第i种组成的比热容。金属和合金的热容Ⅰ区CV∝TⅡ区CV∝T3Ⅲ区CV>3Rα和γ为热容系数，由低温热容实验测得。对于金属：其载流子主要是声子和电子。低温时有：关于金属热容的说明：一般情况下，常温时点阵振动贡献的热容远大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略。对于过渡族金属，由于s层、d层、f层电子都会参与振动，对热容作出贡献，也就是说过渡族金属的电子热容贡献较大，因此，过渡族金属的