材料物理性能-材料的热学性能0912.pptx

江西理工大学应用科学学院 4.1 热容 4.2 材料的热膨胀性 4.3 材料的热传导 4.4 材料的热稳定性 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 4.1.1 固体热容理论 1、热容量的经验定律 材料在温度上升或下降时要吸热或放热，在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量(Q)称作该材料的热容。用C表示。 显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比热容单位:J/(Kg), 摩尔热容单位:J/(K mol) 。 平均热容：是指物质从T1温度到T2温度所吸收的热量的平均值。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 热容分类: 1) 比热容(质量热容) 2）平均热容 3) 比定压热容 当加热过程在恒压条件下进行时，所测定的比热容，cp表示。 4) 比定容热容 加热过程在保持物体体积不变的条件下进行时，所测定的比热容，cv表示。 一般 Cp Cv， Cp测定简单，Cv更有理论意义。对于凝聚物系Cp≈Cv，但高温时，相差较大。 5) 摩尔热容 1摩尔材料所具有的热容，单位： J/(mol•K) 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 热容的经验定律与经典定律 Cv = 3R≈ 25 J.K-1.mol-1 a）元素热容定律--杜隆-珀替定律：在室温和高温下，大多数元素的原子热容为24.9 J.K-1.mol-1（即为3R) 成功之处：高温下与试验结果基本符合。 对于轻元素的原子热容需改用如下数值： 元素 H B C O F Si P S Cl Cp /（ J.K-1.mol-1 ） 9.6 11.3 7.5 16.7 20.9 15.9 22.5 22.5 20.4 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 b）化合物定律--柯普（Kopp）定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 即 c = ∑ni ci 则在高温时化合物摩尔热容，Cv ≈ 25n J.K-1.mol-1，如：NaCl，n=2；BaCl2， n=3。 杜隆-珀替定律局限性：不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，热容按T的三次方趋近于零的试验结果。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 2、热容量的经典理论 在固体中用谐振子代表每个原子在一个自由度的振动，能量按自由度均分，每一自由度的振动的平均动能和平均势能为0.5kT，每个原子有三个振动自由度，平均动能和势能之和为3kT,具有N个原子的固体的总能量为:3NkT 这就是杜隆-珀替定律。 3、热容量的爱因斯坦模型 (1)晶体中原子的振动是相互独立的； (2)所有原子都以相同的频率作振动。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 令 通常用爱因斯坦温度E代替频率0，定义为kB E=0， 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 爱因斯坦热容函数。 爱因斯坦温度E确定： 取上式与实验结果拟合，使得在比热显著改变的温度范围内，理论曲线与试验数据相当好的符合，与选取合适的E值。 所以 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 高温时，当T E时， 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 低温时，当T E时， 缺陷：当温度很低时，绝热体的热容以T3趋于零，但爱因斯坦模型中CV比T3更快的趋于零。与实验误差较大。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 产生原因：按照爱因斯坦温度的定义，爱因斯坦频率E大约为1013Hz，处于远红外光频区，相当于长光学波极限。 而具体计算表明，在甚低温度下，格波的频率很低，属于长声学波，也就是说，在甚低温度下，晶体的热容主要由长声学波决定。因此爱因斯坦模型在低温时不能与实验相吻合。 kB E=E， 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 4、晶体热容的德拜模型 1）晶体视为各向同性的连续介质，格波视为弹性波； 模型: 2）有一支纵波两支横波； 计算 取德拜温度 德拜温度是一个重要的参数，与材料的弹性模数、熔点及键的强度有关系；不同的材料具有不同的德拜温度。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 其中 (1)当T较高时，x1， 3.高低温极限情况讨论 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 高温时与实验规律和经典理论相吻合。 (2)当温度较低温时， 由上式看出，在极低温度下，比热与T3成正比，这个规律称为德拜理论。该理论在低温极限是严格正确的。 江西理工大学应用科学学院 4.1 热 容 (1)忽略了晶体的各向异性； 德拜热