无机材料物理性能第三章3.1热容3.2线膨胀.pptVIP

3 无机材料的热学性能 无机材料的热学性能主要包括： 热容、热膨胀、热导率、热震稳定性、熔化和升华等。 3.0晶体的点阵振动 材料各种热性能的物理本质均与晶格热振动有关，无机材料是由晶体及非晶体组成的，晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小的振动，称为晶格热振动。 晶格振动是三维的，可以根据空间力系将其分解成三个方向的线性振动，设每个质点的质量为m，在任一瞬间该质点在x方向的位移为xn，其相邻质点的位移为xn+1和xn，则质点瞬间位移差为δ=xn+1－xn。 上述方程是简谐振动方程，其振动频率随β的增大而提高。对于每个质点，β不同即每个质点在热振动时都有一定的频率。某材料有N个质点，就有N个频率的振动组合在一起。温度高时动能加大，所以振幅和频率均加大。 各质点运动时动能的总和即为该物体的热量，即 由于材料中质点间有着很强的相互作用力，一个质点的振动会引起相邻质点随之振动，因相邻质点间的振动存在一定的相位差，使晶体振动以弹性波的形式（格波）在 整个材料中传播。弹性波是多频率振动的组合波。声频支振动：如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称之为声频支振动。 光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动方向几乎相反时，频率往往在红外光区，称为光频支振动。 在室温下，所发射的这种电磁波是很微弱的，如果从外界射入相应频率的红外光，则立即被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。这表明离子晶体具有很强的红外光吸收特性，这也是该支波被称为光频支的原因。 由于光频支是不同原子相对振动引起的，所以如果一个分子中有n个不同的原子，则会有(n-1)个不同频率的光频波，如果晶体中有N个分子，则有N(n-1)个光频波。 3.2 无机材料的热膨胀 （1）膨胀系数 物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。 假设物体原来的长度为l0，温度升高后长度的增加量为Δl,实验得出： 物体在t时的长度lt为 热膨胀系数不是一个恒定的值，它随温度的变化而变化，如图。热膨胀系数同热容一样是指定温度范围内的平均值。 材 料 学 2012级硕士研究生 无机材料物理性能 2004级工程硕士 材 料 学 无机材料物理性能 无机材料物理性能 无机非金属材料专业 由于 δ很小，所以 作用力 或者用牛顿第二定律 β：为微观弹性模量；m：原子质量，A：振幅，w：角频率，2nr0k：第n个原子的相位差。 如果晶胞中含有两种不同的原子各有独立的振动频率，即使它们的频率都与晶胞振动频率相同，由于它们的质量不同，振幅也不相同，所以两原子间会有相对运动。 声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。 光频支可以看成是相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小，频率很高的振动。 如果是离子型晶体，就是正、负离子之间的相对振动，当异号离子间有反相位移时，便构成一个偶极子，在振动过程中此偶极子的偶极矩是周期性变化的。它会发生电磁波，其强度决定于振幅的大小。 3.1 热容 （1）基本公式 热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量，表示物体温度升高1K所需要增加的能量。不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时，物体的热容为： 物体的质量不同，热容不同。一克物体的热容称为比热容，单位是J/(k·g)，一摩尔物体的热容称为摩尔热容，单位是J/(K·mol)。工程上所用的平均热容是指物体从温度T1到温度T2所吸收的热量的平均值： 0 另外，物体在不同情况下测得的热容不同。恒压条件下加热测定的热容称为恒压热容Cp，恒容条件下测定的热容称为恒容热容Cv。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以温度没升高1K所需要吸收的热量更多，即CpCv。 式中 Q为热量，U为内能，H为焓。 式中 V0为摩尔体积； 从下图可以看出恒压热容与恒容热容的差异。 1）杜隆——柏替定律：恒压下元素的原子热容等于25J/K·mol。 实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别是在高温下符合更好。但轻元素的原子热容需要该用下值： （2）经典定律 2）柯普定律：化合物分子热容等于构成化合物各元素的原子热容之和。 式中Ci各元素的原子热容； ni各元素的物质量（原子数）。