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第六章材料的热学性质 1. 材料热容 2. 材料热膨胀 3. 材料导热性 4. 材料的热电性 主要参考资料： 《材料物理性能》田莳，北京航空航天大学出版社，2004 《材料物理性能》谭家隆，大连理工大学出版社，2013 1 1.材料热容 • 热容：物体在某一过程中，每升高（或降低）单位温度 时从外界吸收（或放出）的热量； o • 单位：J/K 或J/ C ； • 热容同物质的性质、所处的状态及传递热量的过程有关， 并同物质系统的质量成正比（E为材料内能），有定容热 容和定压热容： • 对于气体和液体，一般 C C ； p v • 对于固体，C ≈C ，但高温时，相差较大。 p v 2 1.材料热容 • 固体热容理论与固体的晶格振动 （晶格热振动）和电子的 热运动 （电子热容）有关； • 晶格振动是在弹性范围内原子的不断交替聚拢和分离，这 种运动具有波的形式, 称之为晶格波； • 晶格振动的能量是量子化的，与电磁波的光子类似, 点阵波 的能量量子称为声子； • 晶体热振动就是热激发声子； • 根据原子热振动的特点, 从理论上阐明了热容的物理本质, 并建立了热容随温度变化的定量关系, 其发展过程是从经典 热容理论—杜隆-珀替(Dulong-Petit ) 定律经爱因斯坦量子 热容理论到较为完善的德拜量子热容理论, 以及其后对德拜 热容理论的完善发展。 3 1.材料热容 6.1晶格热容 一）经典热容理论 经典统计理论的能量均分定理： • 每一个简谐振动的平均能量是k T ，若固体中有N 个原子， B 则有3N 个简谐振动模，总的平均能量E = 3NkB T 固体摩尔热容为： • 热容是一个与温度、材料性质无关的常数（杜隆-珀替定 律）； • 仅在高温下与实验符合； • 温度很低时，实验表明C (T) 很快下降趋于零。 V 4 1.材料热容 • Si和Ge的晶格热容随温度降低而下降。 5 1.材料热容 二）爱因斯坦量子热容理论 • 晶格中每个原子都在独立的做振动，并且振动频率都是ω ； • 把原子振动视为简谐子，简谐振动能量是量子化的，并具有 零点能（T = 0 K时简谐子的能量）： En – 简谐子振动能； ω – 简谐子振动频率； n – 声子量子数，取0，1，2… ； • 略去常数项（1/2 项），利用玻耳兹曼统计， 能量为E 的