多媒体教案-材料物理性能学-04-材料的热性能-2016-au讲解.ppt

材料物理性能学-04材料的热学性能 材料科学与工程学院 马永昌 第四章 材料的热性能 4.1 热力学概念简介 4.2 材料的热容* 4.3 材料的热膨胀* 4.4 材料的导热性* 4.5 材料的热稳定性 4.6 材料的热电性* 4.7 材料热导率的测量方法 本章参考书 《相变和临界现象》于渌 郝柏林 陈晓松 著 2005年7月，科学出版社 ‘热’ 使得我们现实世界中物质得以展现出其多样性的一面。 我们无时无刻不在面对着 ‘热’ 水的三态； 航天器穿越地球大气层（耐高温和高热导率）； 超导和超流现象； 热胀冷缩效应在我们现实生活中的重要性； 电子器件多数都有一定的工作温度范围。 4.1 热力学概念简介 热容 相变（宏观固态物质） 自由度 热力学温标 熵 玻尔兹曼分布 …… 自由度是物体运动方程中可以写成的独立坐标数。 系统中常常存在着各种 约束，使得这 3N（N个原子3D空间）个坐标并不都是独立的。比如， 实空间N个原子理想气体分子体系，自由度为3N；而运动于平面的一个质点或者说单原子，其自由度为 2。 自由度这个概念，更主要是应用于早期材料的热学特性理论模型。 4.2 固体材料的热容 （1）理论模型的发展 （2）从材料热容贡献者角度分类 （1）理论模型的发展 Dulong-Petit 定律 早在19世纪，Dulong-Petit 把气体分子的热容理论直接用于固体，并用经典统计力学处理晶体热容 若晶体有 N 个原子，则总的平均能量为3NkT，摩尔热容为：CmV。(能量按自由度均分) 爱因斯坦热容模型 爱因斯坦认为晶体中每个晶格原子都在独立地作振动，并且振动频率都为v。他引入了晶格振动能量量子化的概念，把原子振动视为谐振子。 量子力学认为，谐振子的振动能量为： 根据玻尔兹曼分布，具有能量为En的谐振子数目，也就是声子占据En能量的概率，正比于 exp(-En/kBT) = exp(-n?v/kBT). 则当温度为T时，振动频率为v的谐振子平均能量为： 由等容热容定义得： 德拜热容模型 德拜理论认为： 晶体中各原子间存在弹性引力和斥力，这种力使得原子的热振动相互受着牵连和制约。晶体是连续介质，原子在振动时有宽的振动谱，存在最大振动频率vmax。 德拜温度：反应了原子之间的结合力。林德曼公式：vmax=2.8×1012×(TM/M)1/2(Va)1/3,而ΘD=hvmax/kB （2）从材料热容贡献者角度分类 凡是物质温度升高-----微观单元能量的吸收 A. 原子振动或者晶格振动 B. 大量的自由电子 对于以下的热容贡献者： A. 原子振动或者晶格振动 B. 大量的自由电子 金属和合金的热容 金属和合金的最大特点就是内部存在大量的自由电子，而自由电子对于总体系的热容是有贡献的。这样金属的热容实际上应该由两部分组成：晶格离子实部分和自由电子部分。 低温下金属的热容：CT=CL+Ce=aT3+bT 经典理论认为自由电子的热容在3k/2数量级，并且与温度无关。但是实际测得的电子对于热容的贡献只有此数值的1/100。 费米分布函数 陶瓷材料的热容 陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，室温下几乎没有自由电子，因此热容与温度关系更符合德拜模型。 相变对热容的影响 什么叫做‘相’？ 1. Any of the forms or states, solid, liquid, gas, or plasma, in which matter can exist, depending on temperature and pressure. 态：由温度和气压决定的物质存在的形式或状态，如固体、液体、气体或原生质等 2. A discrete homogeneous part of a material system that is mechanically separable from the rest, as is ice from water. 相：在物质上有分别的同源体系，这个体系在物理上是可以分辨的，如冰和水 相变分类：一个好的分类已经是一种重要知识。 厄伦菲斯分类：标志是热力学函数及其导数的连续性。对于热力学函数求导数：1、2、3…，一直到某一阶导数出现不连续点时停止。看看此时求导是第多少阶，是多少阶就是多少阶相变。 一级相变（有潜热，从温度上看为突变） 二级相变（从温度上看为一个有限范围） 考虑水结成冰这个相变是多少级相变？ 4.3 材料的热膨胀 1、热膨胀来自于晶格原子的非简谐振动* 2、膨胀系数 3、影响热膨胀的因素 4、热膨胀的测试方法及应用 对于固体材料，其热膨胀的本质归因于：晶体点阵结构中质点之间的平均