[材料科学]材料热学1.ppt

材料的导热性 热导率（导热系数）的定义： ?：热能Q从高温端T1传递到低温端T2所需 要的时间 ?：热导率（导热系数） 在给定温度T下： 傅里叶（Fourier）定律 负号表示热流方向与温度梯度的方向相反 【W/(m?K)或J/(m?s ? K) 】 导热系数的物理意义：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位 截面积的热量。 导热系数?反映了物质的导热能力。 不同物质，差异很大。 金属 50～415 W/(m?K) 合金 12～120 W/(m?K) 非金属液体 0.17～0.7 W/(m?K) 绝热材料 0.03～0.17 W/(m?K) 大气压下气体 0.007～0.17 W/(m?K) 热扩散率（导温系数）的定义： a：导温系数 d：密度 c：比热 在导热过程中，导温系数标志着温度变化的速度。 在相同的加热或冷却条件下，a愈大，则物体内各处温度差愈小。 ?：热膨胀系数 E：弹性模量 ?：应力 钢件淬火时产生的热应力： 热传导的微观机理 ?e：电子热导率，来源于自由电子的贡献： ?i：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。 声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源； 晶体中的缺陷、杂质、晶界等使声子平均自由程降低，使?减小； 平均自由程与声子振动频率有关，波长长的容易绕过缺陷，使自由程加大； 平均自由程与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。 声子：声频波量子。 材料的热学性能 晶格振动 热容 热膨胀 热传导 热稳定性 升华 熔化 晶格振动：材料中各原子在平衡位置的微小振动。 格波：晶格振动以波的形式在晶格中传播。 材料的热容 热容是质点热运动的的能量随温度变化的一个物理量，是物体温度升高1K所需要增加的热量。 【J/K】 将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量称为物质的比热容，简称比热。 1mol物质的热容，称为摩尔热容。 平均热容： 工程应用中应注意适用温度范围 物质的热容与其热过程有关： 恒压热容： 恒容热容： Q：热量 E：内能 H：焓 根据热力学第二定律可以导出： ?：体膨胀系数 V0：摩尔容积 ?：压缩系数 对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。 在极低或极高温度下，自由电子对热容的贡献变得突出。 热容的经验定律与经典理论 元素的热容定律（杜隆－珀替定律）： 恒压下，元素的摩尔热容为25J/(K?mol) 元素 H B C O F Si P S Cl Cp J/(K?mol) 9.6 11.3 7.5 16.7 20.9 15.9 22.5 22.5 20.4 轻元素例外： Dulong－Petit 化合物的热容定律（奈曼－考普定律）： Neumann－Kopp 可应用于多相混合组织、固溶体或化合物，但不适于低温条件或铁磁性合金。 p、q为摩尔百分数 经典热容理论： 将气体分子的热容理论直接用于固体，其基本假设： 晶体格点是孤立的，根据经典统计理论，其能量是连续的。因此固体中一个原子在空间有三个振动自由度，每个自由度上的平均动能和位能均为 模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。 热容的量子理论 爱因斯坦热容理论 假设：每个原子皆为一个独立的振子，原子之间彼此无关，并且?i = ?。 爱因斯坦比热函数 爱因斯坦温度 该理论的不足之处 德拜热容理论 考虑晶体中点阵的相互作用，将格波看成是弹性波。每个谐振子的频率不同，频率范围从0到?m。 德拜温度： 元素 Na Ti Al Mn 金刚石 ?D（K） 158 420 428 450 2230 一些物质的德拜温度 该理论的不足之处 材料的热膨胀 物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。 平均线膨胀系数： 平均体积膨胀系数： 对于立方晶系： 一般固体材料： ?在10-2～10-5/K数量级 一般金属、陶瓷材料： ?在10-5～10-6/K数量级 例： 高压钠灯陶瓷、金属封接： 膨胀合金 在仪器、仪表及电真空技术中，要求应用具有特殊膨胀系数的合金，这些合金统称为膨胀合金。 膨胀合金是精密合金中的一大类，以4J表示。按膨胀系数大小可分为： 如：4J36（含Ni36wt%的Fe-Ni 合金） （2）定膨胀合金（可伐合金） （3）高膨胀合金 （1）低膨胀合金（因瓦合金） 与低膨胀合金组成热双金属片使用 如：