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.doc

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