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第二章 材料热学
保温材料 §2.1 热力学与统计力学概要 §2.1.3 统计力学概要 分布函数也称概率密度,满足“归一化条件”: ——分子按能量分布的统计规律 §2.2 材料的热容量 令 德拜模型的优点与不足 没有考虑电子温度,而对金属而言低温下热容基本由电子贡献,正比于T。 解释不了超导现象。 对某些化合物的计算结果与实验不符,原因在于德拜认为θD与温度无关,且把晶体当作连续介质处理。 实际材料的热容量 金属材料 a) 金属中的价电子组成的“电子气”能在离子实的正电背景下自由运动; b) 价电子互相独立并服从泡利不相容原理; c) 一个价电子对应一个波函数,满足各独立的薛定谔 方程; d) 其能量分布服从费米-狄拉克分布函数。 氧化物材料在较高温度时,服从化合物热容量的柯普定律 ,并且在发生相变时热容量会出现突变。 温度升高△T后的长度lT和体积VT分别为 各向异性晶体材料: 膨胀系数 1)无机非金属材料的线膨胀系数一般 较小,约为10-5-10-6 K-1。 2)各种金属和合金在0~100℃的线膨 胀系数也为10-5-10-6 K-1 ,钢的线膨胀系数多在(10~20)×10-6?K-1范围。 实际上,固体材料的热膨胀系数值并不是一个常数,而是随温度变化而变化,通常随温度升高而加大 热膨胀与温度的关系 由点阵能曲线得到平衡位置随 温度的变化曲线,如右图所示。 设曲线中各点处的斜率为m,则 曲线上各点的斜率 ,又由 线膨胀系数的定义式可得线膨胀系数αl为 热膨胀与热容 由于二者引起的机理一致,故变化趋势相同。高温下由于 热平衡缺陷,造成点阵畸变,故α增大较显著。 实际材料的热膨胀 组成相同,结构不同的物质,膨胀系数不相同。 通常情况下,结构紧密的晶体,膨胀系数较大;而类似于无定形的玻璃,往往有较小的膨胀系数。 结构紧密的多晶二元化合物都具有比玻璃大的膨胀系数。原因是因为玻璃的结构较疏松,内部空隙多,这样当温度升高时,原子振幅加大,原子间距离增加时,部分地被结构内部的空隙所容纳,而整个物体宏观的膨胀量就少些。 例子: 石英 α=12×10-6 /K 石英玻璃 α=0.5×10-6 /K 有机高分子材料的膨胀系数比金属材料大,在玻璃化转变区间还会发生很大的变化。 属于机械混合物的多相合金,膨胀系数介于这些相膨胀系数之间,近似符合直线规律,故可根据各相所占的体积分数按相加方法粗略地估计多相合金的膨胀系数。 例如合金具有二相组织,当其弹性模量比较接近时,其合金的膨胀系数α为 ??????????????????????????????????? 式中,α1、α2分别为二相的热膨胀系数; 分别为各相所占的体积分数,且 =100%。 若其二相弹性模量相差较大,则计算式为 ?式中,E1、E2分别为各相的弹性模量。 2.4 材料的热传导 在超大规模集成电路(容量和密集度迅速增大)中,要求集成块的基底材料导热性能优良。关键是寻找出既能绝缘,又具有高导热系数的材料。 其物理意义为:在单位梯度温度下单位时间 内通过材料单位垂直面积的热量 ※分子碰撞 分子与分子之间存在着相互作用力,当两分子离得较远时,分子之间的作用力表现为吸引力,但当两分子接近到一定程度后,分子之间的作用力会改变为排斥力,并随其接近距离的减小,排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度时,排斥力的作用使两分子分开。这种由接近而至排斥分离的过程.就是分子的碰撞过程。 1.分子有效直径 分子在碰撞过程中,两分子质心的最短距离(即发生斥离的质心距离)称为分子有效直径。 2.分子运动自由程 一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程。 3.分子运动平均自由程 任一分子在运动过程中都在不断变化自由程,而在一定的外界条件下,不同物质的分子其自由程各不相同。在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程 。 声子热传导 若把声子两次碰撞走过的路程称为声子自由程λs ,则在该自由程两端的温度差 ,声子从 的一端带到另一端的热量为 ,声子沿x方向的移动速度为 考虑到大量声子相互作用时, 取平均值,又根据能量均分定理
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