第一章 材料的热学性能 1.pptVIP

本章要点 明确为什么要研究材料的热学性能? 如何表征材料的热学性能? 热容的基本概念 热容的实验规律 热容的基本理论(经典、量子理论) 影响热容的因素 热容的测量原理与热分析方法 在空间科学技术中的应用: 航天飞行器，涡轮发动机叶片,电真空封装材料， 在能源科学技术中的应用: 太阳能, 工业炉衬，航天飞行器，建筑材料,保温玻璃 在电子技术和计算机技术中的应用: 热驱动材料,集成电路基片等 材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动有关 热容定义: 热容是使材料温度升高1k所需的热量。 C = ΔQ/ΔT (与质量,组成,过程, 温度T有关) 它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。 比热容 一般有 Cp Cv， Cp测定简单，Cv更有理论意义。 材料热容的实验规律 金属热容随温度T变化的实验规律 无机材料的热容随温度T变化的实验规律 爱因斯坦模型 德拜的比热模型 爱因斯坦模型： 晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。 当 T θE 时 在爱因斯坦模型中： 低温时，Cv与温度按指数律随温度而变化，与实验得出的按T的立方变化规律仍有偏差。 问题主要在于基本假设：各个振子频率相同有问题，各振子的频率可以不同，原子振动间有耦合作用 。 德拜模型认为： 晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即较长的声频支在低温下的振动 由于声频支的波长远大于晶格常数，故可将晶体当成是连续介质，声频支也是连续的，频率具有0～ωmax 高于ωmax的频率在光频支范围，对热容贡献很小，可忽略 当温度较高时，T θD，Cv = 3NkB θD取决于材料的键强度、弹性模量和熔点 无机材料的热容与材料的结构无明显的关系 高温下固体的摩尔热容约等于构成该固体化合物的各元素的原子热容的总和 C = ∑nici式中， ni：原子的分数，ci ：原子的摩尔热容 多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和： C = gici gi：材料中第i种组成的重量百分数 ci：材料中第i种组成的比热容 影响无机材料热容的因素 1. 温度对热容的影响 高于德拜温度：热容趋于常数， 低于德拜温度时：与(T/?D)3成正比。 2. 键强、弹性模量、熔点的影响 德拜温度约为熔点的 0.2 - 0.5倍。 3. 无机材料的热容对材料的结构不敏感 4. 相变时，热量不连续变化，热容出现突变。 复习题 什么叫固体的热容?它与哪些量有关? 爱因斯坦热容理论的基本思想是什么?他在哪些方面获得了成功? 什么叫德拜温度? 德拜温度与熔点Tm或晶格最大振动频率有何关系? 470 Fe 923 Al2O3 100 168 475 2000 ?D(k) Pb Cd CaF2 金刚石 物质 420 Ti 230 Ca 400 291 400 1440 ?D(k) W Zr Mg Be 物质 物质的德拜温度?D(k) 无机材料的热容规律 不同温度下某些陶瓷材料的热容 无机材料有大致相同的比热曲线 无机材料的热容规律 无机材料的热容规律 化合物的热容 无机材料的热容规律 多相复合材料的热容 材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。 根据热容选材 * * 《材料物理性能》 第一章 材料的热学性能 安徽工业大学材料学院 * (第一讲) （Physical Properties of Materials） 绪言 材料热性能研究的意义 在热力学中 （晶格热振动）晶格热容 固体的热容 (电子的热运动) 电子热容 C = ΔQ/ΔT ΔQ = ΔU + P ΔV 固体的热容 晶格的热振动 晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平衡位置作微小振动，称为晶格热振动 格波：晶格振动所形成的弹性波 （质点间存在相互作用力导致多频率振动的组合波） 声频支振动：相邻质点间位相差不大，类似于 弹性体中的应变波。低频率的格波。 光频支振动：格波中频率甚高的振动波。 （频率在红外光区，特点是临近质点的运动几乎相反) 晶格热振动→格波（声频、光频） 例：离子晶体格波的物理图象： (a) 声频支 (b) 光频支 振动偶极子激发（或吸收）电磁波（红外光） 热容的基本概念