第5章节材料的热学课件(4762KB).pptVIP

* 材料 热膨胀系数(×10-6 K-1) 材料 热膨胀系数(×10-6 K-1) Al2O3 8.8 SiC 4.7 石英 0.5 金红石 7-8 Al 23.8 Si 6.95 Ni 13.3 Cu 17.0 Zn 38.7 W 4.4 尼龙 120.0 PMMA 85.0 PVC 80.0 瓷器 3.0 一些材料的线热膨胀系数（常温） * 2. 热膨胀的物理本质 表现为：温度升高，原子间距增大。 根源是：原子结合的势能，具有非对称性， 导致非简谐振动，温度升高，偏离平衡位置。 修正 振动模式 热 容 热膨胀 * r0 瞬时相对位移： [微观膨胀] * 根据统计力学研究， 平均相对位移： 线热膨胀系数： 金属膨胀系数与热容的关系 格林爱森系数 体弹性模量 金属体膨胀量极限：6% * 5. 3 材料的热传导 傅里叶(Fourier)定律： 热流密度： 热导率（热传导系数） * （1）热导率 反映物质的本征热传导能力 具有方向性 （热传导系数） 1. 热导相关参数 * （3）热扩散系数（导温系数） 描述不稳定导热过程，温度的变化速度。 （2）热阻率 残余热阻（杂质缺陷引起的热阻） 本征热阻（晶格振动引起的热阻） * 2. 热传导的微观机制 固体材料的热传导，主要由晶格振动的声子来实现，高温时，还可能有光子热传导，而金属材料中由于有大量电子，电子而非原子热传导是其主要的传热机制。 （1）声子热传导 （2）电子热传导 声子扩散速度 声子平均自由程 电子扩散速度 电子平均自由程 * 几十 对于金属： 3. 金属热导率和电导率的关系 （温度不太低时） * Thanks * 第5章 材料的热学 5.1 晶格的热振动 5.2 材料的热容 5.3 材料的热膨胀 5.4 材料的热传导 原子振动 频率模式 原子振动 平均能量 原子振动 振幅增加 原子振动 能量传递 恒温 变温 声子扩散 * 我们身边的热现象 * 分子振动 晶格原子振动 与材料温度相关的属性称热学特性，它与原子、分子运动相关。热容是热学特性的中心概念，表示材料储存热量能力的大小，对热膨胀、热传导有直接影响。热容根源于原子、分子的振动，对于金属，还包括自由电子的运动。 热容的本质 * 热 容 热膨胀 热传导 载体：原子、分子、电子 本质：线性谐振 载体：原子、分子、电子 本质：非线性谐振+近邻传递 载体：原子、分子 本质：非线性谐振 线性谐振 非线性谐振 热容、热膨胀、热传导的关系 * 5.2 晶格的热振动 1. 弹簧振子知识 半约束单原子弹簧振子 自由双原子弹簧振子 * 2. 一维双原子链振动模型 第n个晶胞 第n+1个晶胞 第n-1个晶胞 弹簧1 弹簧2 * 对第n个晶胞内的两个弹簧： 原子m2在x2n所受弹性力 原子m1在 x2n+1所受弹性力（或x2n-1 ） p53 等效弹性系数 * 最后方程 试 解 结果 - 色散关系 波数 （对弹性连续介质 ） * 结果讨论 1）当 （长波极限） 2）当 （短波极限） * 色散关系图 光学支 声学支 低频同相运动 高频反相运动 * 响应光波 吸收 发光 * 两支模式的区别 光学支模式是描写晶胞中两个原子相对运动的振动模式，若这两个原子组成一个分子，光学支模式实际上是分子振动模式，描写的是同一个分子中的原子的相对运动情况； 声学支模式代表同一晶胞中原子的整体运动，若这两个原子组成一个分子，声学支模式则代表分子的整体运动模式，这种振动模式的色散关系类似于声波。但它不是声波。 * 相邻原子的振动方向 振动频率 长 波 近 似 振动质点 振动质点质量 同号双原子 异号双原子 声 学 波 相同 慢 原胞 重 连续介质的弹性波 光 学 波 相反 快 异号原子相对振动 轻 产生电偶极矩，发射电磁波 声学波与光学波的比较 * 5.2 材料的热容 1. 概念和经典理论 真热容：物质分子或原子热运动的能量E随温度T的变化率，表征材料吸放热能力。（E 吸热为正，放热为负） 恒容热容： 恒压热容： 平均热容：从温度T1到T2物体吸收的热量平均值， * 与 的关系: 体膨胀系数: 体压缩系数: 化合物热容: 分子 单原子 双原子 多原子 根据分子动力学理论 及能量均分定律 高温固体 3R 热容的经典理论 - 分子动力学+Boltzmann统计 * 实验表明，在室温以上除了Si