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南昌大学 材料性能学重 第一章 材料热学性能南昌大学 材料性能学重点 第一章 材料热学性能
第一章 材料热学性能
内容概要:本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容,并简述其物理本质。
主要内容和学时安排如下:
材料的热容
重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容;理解温度、相变等对热容的影响;了解热容的几种测量方法,对热分析法的原理和应用要重点理解。
材料的热膨胀
重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质;了解热膨胀的测量方法;理解热膨胀分析方法在材料中的应用。
材料的热传导
掌握热传导定律;热传导的物理本质;理解热传导的影响因素。
(共6个学时)
第一节 材料的热容
一、热容的定义:
不同的物体升高相同的热量时其温度会不同,温度升高1K所需要的能量定义为热容:
定容热容:如果在加热过程中,体积不变,则所提供的热量全部用于粒子动能(温度)的增加,用Cv表示
定压热容:如果在加热过程中保持压力不变,则物体的体积自由膨胀,这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度,一部分用于体系对外做功,用Cp表示
为0-TK时平均比热容,即质量为1Kg的物质在没有化学反应条件下,温度升高1K时所需的热量,单位为J/(Kg.K)
定压热容定容热容,一般实验测得的是恒压热容Cp
即在温度范围内的平均热容:
当时,即可认为是TK时的热容
摩尔恒压热容:1mol物质在没有化学反应和相改变条件下,升高1K所需的能量,用Cpm表示
摩尔恒容热容:
(M为摩尔质量)
二、热容理论
实验发现:在不发生相变条件下,多数物质的热容Cv在高温下,逐于一恒定值;低温区;时,。
1 经典的热容理论:(杜隆—珀替定律)
体系的能量包括动能和热能,动能与温度有关,给体系提供能量一部分用于增加体系的动能—升高温度;一部分用于增加体系的热能
动能和热能近似认为相等,则在TK时温度升高所需的热量为3K
摩尔热容为C pm=3R
经典热容理论认为热容是一个恒定值为3R,与温度无关。
缺陷:不能解释实验的热容与温度的变化关系。
2 热容的量子理论
普朗克在研究黑体辐射时,提出了振子能量量子化,以hv为最小单位
频率为w的谐振子的能量具???统计性,按照统计热力学原理,在温度为T,频率为w时,所具有的能量为值的几率与成正比。
1mol固体有N个原子,每个原子的振动自由度为3,所以1mol固体的振动可看成3N个振子的合振动
但要计算Cv很困难,必须简化处理。
A:爱因斯坦模型:
爱因斯坦模型理论认为:各原子的振动是独立的,而且都是以相同的频率振动。
当时:
当时:
不足:热容偏离实验曲线偏大
Why:爱因斯坦认为各原子振动互不相关,且以同一频率振动,模型过于简单。
B:德拜模型:
德拜考虑了晶体中原子间的相互作用,把原子振动看成是弹性波,晶体看作为连续介质存在一频率分布。
德拜定律
三、无机材料的热容
四、 金属材料的热容
(1)自由电子对热容贡献。
金属态物质存在大量的自由电子
即热量用于提高自由电子的动能,在常温下自由电子热容与点阵振动热容相比微不足道。但在极高温和低温下,电子热容不可忽视。在极低温下,电子热容起主导作用。
(2)合金的热容(奈曼考普定律)
设合金成成分为A、B、C……其热容为CA,CB,CC……
所占的摩尔比为XA,XB……Xn
则 C=XACA+XBCB+XCCC
(3)相变对热容的变化
A:熔化与凝固:
熔化时,所提供的热量全部用于提高体系的内能。
液态金属的热容比固态的大。
B:一级相变与二级相变
一级相变:相变时温度不变,相变完成后出现跃变。
二级相变,相变时温度逐渐变化。
五、热容的测量方法
(1)量热计法:
为了确定温度为T时的金属热容,把试样加热到此温度,经保温后,放入装有水和其他液体的量热计中,测量平衡后的最终温度Tf,从试样转移到量热计中的热量区,及试样质量m
(2)撒克司法:
为热量的变化速度;为试样温度的变化速度;m为试样的质量,C为定压热容。
V是螺旋丝加热的电压;I是电流
如果试样处于平衡状态 Ts=TB,TB为箱子的温度
如果先加热箱子,用箱子温度变化速度来代替试样温度
关键是如何确定
如果用炉子加热箱子,然后通过箱子再加热试样,试样的温度必落后于箱子即不能满足Ts=TB,在试样中加入一个电阴丝,电阻丝交流通电或断电,使Ts=TB,则可用
(3)热分析测量法
热分析法分为普通热分析,示差分析和微分热分析
为了得到热分析曲线,分析固态转变要准确测定试样的温度,一般采用试样与标准试样放在一起加热或冷却。对标样:在加热冷却的温度范围
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