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材料物理（材料热学部分） 主要内容 1、热力学概论 2、热容 3、热膨胀 4、热传导 5、热稳定性 1 热力学概论 热力学四大定律： 0－－如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡。 1－－能量守恒定律在热学上的表现。 2－－能量转化效率的问题。 3－－绝对零度不可达到但可以无限趋近。 热力学第一定律发现： 1824年，卡诺，《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》 1842年，迈尔，《论无机性质的力》 1843年，焦耳，《论磁电的热效应及热的机械值》 1847年，亥姆霍兹，《论力的守恒》 热力学第二定律发现： 1834年，克拉伯隆，《论热的动力》 1849-1851年，开尔文，《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》，第二定律的表述（1851） 1850年，克劳修斯，第二定律表述，熵的概念 1859年，麦克斯韦，麦克斯韦速率分布律 1877年，玻尔兹曼，宏观的熵与体系的热力学几率的关率：S = klnQ 思考：热功当量与热力学第二定律？ 热力学第三定律发现： 1906年，能斯特，《新热定律的理论与实验基础》 1911年，普朗克，各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。 2.1 概念 概念：在不发生相变和化学反应时，材料升高1K温度所需要吸入的热量，单位：J/K。 质量热容 摩尔热容 平均热容 定压热容 定容热容 定压热容与定容热容的关系 cp,m-cv,m = ?2vVmT/? [m?N/K?mol] ?v：体膨胀系数，?v=dV / VdT Vm：摩尔体积； ?：三向静力压缩系数， ?=-dV / VdP 2.2 晶态固体热容的经验定律 （1）Dulong-Peoit定律(1819年)：在恒压下，元素的原子在高于某一特征温度后，其摩尔热容接近常数25 J/mol?K。（元素的热容定律） （2）Kopp定律(1865年)：晶体化合物在温度为 298 K 时的摩尔热容 Cp, 298 约等于构成此化合物的所有原子的摩尔热容Ci的总和，即 Cp, 298 = ?NiCi 式中的Ni为此化合物中所含有的第 i 种原子的个数，Ci为第i 种原子的热容。 （化合物的热容定律）。 晶态材料热容随温度的变化曲线 2.3 热容的经典理论与量子理论 经典理论基本假设 量子理论基本假设 Einstein热容理论基本假设 爱因斯坦热容曲线与实验数值的对比 圆点为金刚石实验值 Debye热容理论基本假设 德拜模型理论值与实验的比较 金属铟的德拜温度随温度的变化 2.4 材料的热容 金属材料的热容 合金的热容 陶瓷材料的热容 * * 热力学第一定律： 能量可以在一物体与其他物体之间传递，可以从一种形式转化成另一种形式，但是不能无中生有，也不能自行消失。不同形式的能量在相互转化时永远是数量相当的。 热力学第二定律： 克劳修斯：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化； 开尔文：不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其它的变化。 热力学第三定律： 绝对零度可以无限接近而不能到达。 5.0 F 1.8 S 2.3 P 6.2-6.4（3R） 其它原子 4.8 Si 4.0 O 3.8 Be 2.8 B 2.3 H 1.8 C Ci /(cal?mol-1?K-1) 原子 第 i 种原子的Ci则按下表所列的数据取值 NaCl摩尔热容随温度变化曲线 经典理论： 量子理论： Einstein理论 Debye理论 （1）晶态固体中原子彼此孤立作热振动； （2）原子振动的能量是连续的。 （1）晶态固体中原子在三维方向作热振动； （2）原子振动的能量是量子化的，能量由振动频率决定。 （1）晶格中各原子振动相互独立，振动能量是量子化的； （2）原子振动的频率相同。 （1）晶格中各原子振动相互独立，振动能量是量子化的； （2）考虑了原子振动的不同频率分布，存在一个频率分布函数g(?)； （3）存在最大频率?max。 实验点是镱的实测值 特点： 由离子热容和电子热容构成； 过渡族金属由于d层和f层电子的参与，使电子热容增大而占据主导地位。 离子热容：跟晶格振动有关，服从Debye理论解释。 电子热容：极低温度下，跟温度成正比。 金属铜的摩尔定容热容随温度的变化曲线 I：Cev,m = ?2RzkT/(2Ef0) R：气体常数； z：原子个数； k：玻尔兹曼常数； Ef0：金属的费米能级 II： Cv,m = AT3 + BT (Debye) III： Cv,m = 3R (Debye) IV：