无机材料-热学性能.ppt

为什么研究热学性能 由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中，很多使用场合还对它们的热性能有着特定的要求，因此热学性能是材料重要的基本性质之一。 材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、热辐射、热电势等。它在材料科学的相变研究中有着重要的理论意义。在工程上选用热性能合适的材料，可以节约能源，提高效率，延长使用寿命等等。又如在特殊场合对材料的热学性能提出了特殊的要求，如要求： 低膨胀率的材料：微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 一定的热膨胀系数：电真空分装材料 极高的膨胀系数：热敏元件 优异的隔热性能：工业炉衬，建筑材料、航天飞机隔热材料 优异的导热性能：燃气轮机叶片、晶体管散热器等等 本章就介绍固体材料的热容理论、材料热性能的一般规律、主要测试方法等及其在材料中的应用，这些内容加以探讨，以便在选材、用材、探讨新材料和新工艺方面打下物理理论基础。 本章要点及本章重点 本章要点：声子 热容 热容定律 爱因斯坦模型 德拜模型 无机材料的热容 金属材料的热容 热容和比热容的测量 热膨胀 热膨胀的物理本质 膨胀的测量 热传导 热传导定律 热传导的物理机制 影响因素 热传导的测量 热应力 热应力断裂抵抗因子 本章难点：热容定律 爱因斯坦模型 德拜模型 热膨胀的物理本质 热传导定律 热传导的物理机制 热应力断裂抵抗因子 第一节 热学性能的物理基础 热运动：物质中的分子和原子均处在不停的无规则运动状态。 热力学与统计力学：研究物质的一般热性质和热运动规律的科学。 热力学与统计学密切相关又有所区别： 一、热力学概要 热力学系统，简称为“系统”：研究的宏观物体（气体，液体或固体）。 热力学平衡：系统处在不变的外界环境条件下，一段时间后系统将达到一个客观性质不随时间变化的状态，这种状态称之为热力学平衡，是一种动态平衡，故也称为“热动平衡”。热力学主要研究系统处于热动平衡时物质的宏观性质之间的关系。 热力学定律 1 热力学第一定律： 微分形式为： 局限性：只能说明能量转化的数量关系，不能解决过程进行的限度问题，以及过程进行的方向问题。 热力学第二定律统计学解释 波尔兹曼（Boltzman）最先作出： S=KlnW 式中：K波尔兹曼常数 S熵 W 热力学几率 （即一种宏观状态对应的微观状态数目） 2 系统的自由能 热力学函数 吉布斯（Gibbs）函数G: 系统的自由能F: G=F+PV F=E-TS 微分形式为： 微分形式为： dF=-SdT-dA dG=-SdT+VdP-dA 3 化学势Ej 前面的讨论是在系统粒子数保持不变的前提下，即认为系统的能量变化仅是由于系统吸收热量或对外做功的结果，而对于组成系统力学的粒子数有变化的情况下，热力学第一定律的表达式则成为： 式中： Ej为第j种粒子化学势（系统添加一个新的第j种粒子时所需做的功） Nj为系统中第j种粒子的个数。 遵从费米—狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布的电子，其化学势Ej就等于费米能级EF的大小。 根据自由能的定义，可得： 二、统计力学概述 统计规律是大量偶然事件中反映出来的一种规律性。 能量分布函数： f（E）=dNj/（NdE） 粒子速度分布函数 ： 第二节 无机材料的热容 当温度很高时，原子振幅很大，甚至可以脱离平衡位置，产生扩散现象； 当温度不太高时，原子振动可看作是“谐振子”，能量为： 声子（Phonon） 声子：晶格振动的能量是量子化的，以hγ为单元来增加能量。称这种能量单元为声子。 使用声子的概念 不仅生动的反映了晶格振动能量的量子化，而且在分析晶格振动有关问题时带来了很大的方便。 例如：一维双原子晶格的热振动 模型如图： 一维双原子晶格的热振动模型运动方程： 假设 则该方程的解为： 若要A和B有非零解，其系数行列式必须等于零，即 可见：对于每个L值，有两