第12章的热性质概述.ppt

* * 材料的热现象及其本质 热容 热膨胀 热传导 热应力 材料热性能指标的比较 第十二章 材料的热性能 主要内容 12.1 热容 热容: 物质温度每升高1K?所需要的热量。 heat?capacity (J/mol-K) energy?input?(J/mol) temperature?change?(K) 摩尔热容(Cm): 比热容(C):? 每摩尔物质的热容，J?/?(mol?K) 单位质量物质的热容，J?/?(?kg?K) 2种测定方式: 摩尔定容热容CV,m 摩尔定压热容Cp,m，定压热容大于定容热容。 原子振动能量的增加 自由电子动能的增加 一般条件下 C= dQ dT 经典理论计算原子热振动能量 每个原子具有3个振动自由度，每个自由度的能量为kT 由NA个（阿伏加德罗常量）原子组成的晶体在温度T所具有的原子振动能量为3NAkT T≥298K，铝、银、铅的摩尔定容热容值分别为25.1?，24.3?和25.9?J?/（mol??K） 量子热容理论 原子间的键合作用使相邻原子的振动彼此相关，产生振动波，称为晶格波。 晶格波的能量是量子化的。晶格振动的能量量子为声子Phonons。不是真正的粒子。 物质吸收热量热激发了声子引起原子振动能量的增加。 晶格波能量计算 德拜温度；材料重要参数 德拜函数的特征函数 与T3成正比 材料热容的对比 化合物热容的柯普定律：多原子分子组成的晶体，其摩尔热容为组成分子的各原子的摩尔热容之和。 相变对热容的影响 相变对热容的影响是材料热分析的理论基础 一级相变 纯金属的三态变化、同素异构转变、合金的共晶与包晶转变、固态的共析转变等。 二级相变 磁性转变、合金中有序—无序转变和合金超导转变等，玻璃化转变。 特定温度完成 不连续变化 相变温度 无穷大 有剧烈变化 有限值 在一个温度范围内逐步完成 连续变化 热膨胀 线膨胀 体膨胀 l0和lf分别为温度从T0变化到Tf时试样的起始长度和最终长度 α1为线膨胀系数，K-1 V0为材料的起始体积； αV为体膨胀系数，K-1。 许多材料α1存在各向异性。 各向同性材料，近似关系αV=?3αl 本质:?原子间平均距离随温度的上升而增加，晶格常数增加。 热膨胀是由势能曲线的不对称性造成。 势能-原子间距关系曲线 温度上升 振幅增加 热振动能量增加 对称 振幅增加, 但原子间平均距离未改变, 不出现热膨胀。 热膨胀系数与热容的关系 热膨胀的基本原因是原子热振动引起的原子间距增大，必然与热容相关。 热膨胀与热容两者成正比。两者随温度的变化趋势相似。 趋于某个极限值 T3变化 热膨胀与原子间键能的关系 原子间键能越大，温度增加时，原子间距的增量就越小，膨胀系数越小。 原子间键能越大，则势能谷越窄而深 热膨胀与结构和成分的关系 结构影响 晶体缺陷提高晶体热膨胀系数。 对称性低的晶体，热膨胀系数表现为各向异性。 合金成分影响 单相固溶体合金，热膨胀系数近似符合线性加和律，一般介于组元热膨胀系数之间。 相变对热膨胀行为的影响 比容（单位物质的体积，m3/kg） 热膨胀分析是测定钢的相转变和高聚物热分析的重要手段之一。 结晶高聚物 非晶区 晶区 12.3 热传导 1. 热传导 互相接触的两物体间或一个物体内部温度不均匀时, 发生热能从高温部分向低温部分传输的现象，称为导热现象。 Hot T2 T1 T1 T2﹥ X2 X1 稳态热流 单位时间内通过单位截面热流密度q(W/m2): x方向上的温度梯度 负号表示热量从高温区向低温区传输 κ为热导率(导热系数),W/(m?K)，是表征材料传输热量的能力