第四章 材物性-2-熱.ppt

1、材料的熱性質，熱性質的物理基礎，熱容量，熱膨脹和熱傳導，熱性質的物理基礎，1。晶格的熱振動固體材料的各種熱性質都與構成材料的粒子(原子和離子)的熱振動有關，晶格中的粒子(原子和離子)總是在它們的平衡位置附近輕微振動。晶格熱振動是三個方向線性振動的三維簡諧振動方程：振動頻率隨著Em的增加而增加，Em是熱性能的物理基礎，熱性能的物理基礎，熱運動中每個粒子的動能之和，彈性波(也稱為晶格波)的組合波，多頻振動，(1)聲振動3360如果振動粒子包含頻率很低的晶格波，粒子之間的位置差不大。(2)光頻分支在：網(wǎng)格波中振動頻率較高的振動波，粒子間的位置差很大，頻率往往在紅外區(qū)域。(3)音頻分支可視為振動方向相

2、同的相鄰原子。光頻分支可以看作是相鄰原子相反的振動方向，形成一個小范圍高頻率的振動。第二熱容，(1)熱容的基本概念1。熱容量在沒有相變或化學反應的情況下，材料在溫度升高1K時所吸收的熱量稱為材料的熱容量，其單位為焦耳/千。熱容量的表達式為：不同的材料，不同的熱容量，第二熱容量，單位1摩爾材料的熱容量稱為“摩爾熱容量”，其單位為焦耳(摩爾)。同一種材料在不同溫度下的比熱容往往不同。通常，工程中使用的平均比熱容是指從溫度T1到T2的單位質量材料所吸收的熱量的平均值，為33，360。從T1到T2的范圍越大，精度越差。當溫度T2無限接近T1時，材料的比熱容，即比熱容為：的定壓加熱過程是在定壓下進行的，

3、測得的比熱容高于定容加熱過程。在恒壓加熱過程中，物體不僅升溫，而且對外界做功(膨脹功)，溫度每升高1K就需要吸收更多的熱量。是三維靜態(tài)壓縮系數(shù)，是體積熱膨脹系數(shù)，CpCv根據(jù)熱力學第二定律，Cp和Cv的關系是這樣推導出來的：2。固體材料熱容的兩個經(jīng)驗定律：(2)柯普的復合熱容定律：“復合分子的熱容等于構成這種化合物的所有元素的原子熱容之和，”(1)元素的熱容定律：“元素在恒壓下的原子熱容等于25J(K摩爾)。根據(jù)經(jīng)典熱容理論，33，360個自由度的能量均分，每個自由度振動的平均動能和平均勢能為(1/2)kT。一個原子有三個振動自由度，平均動能和勢能之和等于3kT。一摩爾固體中有鈉原子，總能量，

4、一摩爾單原子固體物質的摩爾常數(shù)熱容為0。熱容量是一個常數(shù)，與溫度無關。對于雙原子，摩爾恒熱容量為Cv，m=2x 25J/(Kmol)，三原子固體化合物的摩爾恒熱容量為Cv，m=3x 25J/(K mol)。在高溫區(qū)，摩爾熱容的變化在低溫區(qū)非常平緩。當CP和MT3接近0K時，CV、M、CP和M=0。實驗結果表明，材料的摩爾熱容隨溫度變化。經(jīng)典熱容理論在低溫下不適用，熱容隨溫度的變化應該用量子理論來解釋。(2)固體熱容的量子理論是基于：在同一溫度下，物質中不同粒子的熱振動頻率不同；同一粒子振動的能量在不同的時間是不同的。振動能量是量子化的。愛因斯坦模型和德拜模型與實驗符合得很好。人們認為晶體中的每

5、個原子都是一個獨立的振子，原子之間是相互獨立的，所有的原子都是振動的(1)當溫度較高時，(813)可以展開成更高階的項，而(8-12)可以轉變成杜隆配第定律的形式，2德拜模型，(。在德拜熱容理論中，德拜溫度是一個重要參數(shù)，不同材料的德拜溫度不同。石墨為1970K，BeO為1173K，Al2O3為923K，與結合強度、材料彈性模量、熔點等有關。(816)，杜羅彭佩蒂定律，當T趨向于0K時，CV、M和T3成比例地趨向于零。四白理論不能完全符合低溫下的事實，這是因為晶體畢竟不是一個連續(xù)體。總的來說，四百模型是足夠精確的，但是這個模型不能解釋超導現(xiàn)象。這兩個熱容子理論，適用于金屬晶體和一些簡單的離子晶

6、體，如鋁、銅、碳、KCl等。與在寬溫度下的實驗一致，并且不完全適用于其它化合物；實際材料往往是多相結構，有晶界雜質等缺陷，情況比較復雜，理論計算誤差較大。只討論了晶格振動能的變化與熱容量的關系。事實上，電子運動能量的變化也有助于熱容量。(3)影響材料熱容的因素與材料的組織結構關系不大。例如，在相變期間，由于熱量的不連續(xù)變化，熱容量也突然變化。1.固體的多型轉變屬于一級相變。2.二階相變在一定溫度范圍內逐漸完成。為了不可逆轉的轉變。伴隨轉變的熱效應是不可逆的。4.材料熱容與溫度之間的關系可以通過實驗精確測量。經(jīng)驗公式Cpa 10 bT 10 cT 10，固體在較高溫度下的熱容量是相加的，即物質的

7、摩爾熱容量等于組成化合物的元素的原子熱容量之和，即化合物中元素I的原子序數(shù)；是化合物中元素I的摩爾熱容。(4)熱容量的測量；(1)用混合法測量固體材料的比熱容；(2)用電熱法測量固體材料的比熱容，通常用混合法和電熱法；(5)熱分析方法的應用；(1)熱分析方法是根據(jù)不同溫度下熱、質量、體積等物理參數(shù)與材料結構之間的關系來分析和研究材料。(1)差熱分析(DTA):在程序溫度控制下，測量樣品和參考物體之間的溫差與溫度(t)或時間(t)之間的關系；(2)差示掃描量熱法：一種分析技術，用于在程序溫度控制下，通過差示掃描量熱法測量加熱或冷卻過程中樣品和標準樣品之間的溫差為零時，需要補充的熱量與溫度和時間之

8、間的關系。熱分析的應用可以通過加熱或冷卻過程中的各種熱效應來識別物質，例如脫水、固相變化、熔化、固化、分解、氧化和聚合。它有助于確定陶瓷生產中各種原料的用量和制定燒成制度。在金屬材料的研究中，熱分析方法也被廣泛使用。(1)熱膨脹和熱膨脹系數(shù)的概念1。熱膨脹的概念物體的體積或長度隨溫度增加的現(xiàn)象。熱膨脹，2。平均線膨脹系數(shù)，3。真線膨脹系數(shù)3360k-1固體材料的真線膨脹系數(shù)通常隨著溫度的升高而增加，對于無機非金屬材料來說通常較小。4.體積膨脹物體的體積隨溫度升高而增大的現(xiàn)象，各向同性的立方材料，具有三倍各向異性的v、(2)熱膨脹的機理，當顆粒位于平衡位置的兩側時，應力是不對稱的，且合力曲線的斜

9、率在平衡位置的兩側不相等。當r0時，曲線的斜率較大，但當r0時，斜率較小。當粒子振動時，平均位置不在ro，而是向右移動，因此相鄰粒子之間的平均距離增加。溫度越高，振幅越大，ro兩側顆粒的不對稱應力越明顯。平衡位置向右移動越多，相鄰粒子之間的平均距離增加越多，導致晶胞參數(shù)和晶體膨脹增加。隨著溫度的升高，粒子的平均位置移動得越遠，晶體膨脹得越多。晶體中熱缺陷的形成將導致局部晶格畸變和膨脹，這是次要的；然而，熱缺陷的濃度隨著溫度的升高呈指數(shù)增加，因此這一因素的影響在高溫下變得重要。熱膨脹和其他性能之間的關系1。熱膨脹與熱容的關系，加熱引起的固體材料體積膨脹是強化晶格振動的結果，強化晶格振動是原子(離

10、子)熱運動能量的增加，單位溫度升高時能量的增加就是熱容。熱膨脹系數(shù)與熱容量密切相關，兩者的比值接近于一個恒定值。熱膨脹與結合能和熔點之間的關系熱膨脹與晶格粒子中的勢能有關，勢能由粒子之間的結合力決定。粒子間的結合力越強，勢阱就越深越窄。當溫度升高時，顆粒振幅增加越小，熱膨脹系數(shù)越小。結合能大的熔點較高，通常熔點高，膨脹系數(shù)小。格拉尼奇晶體的熱膨脹極限方程Tm (V Tm Vo)VoC是熔點溫度下的體積；0K時的體積；C是常數(shù)，不同的材料有不同的C值。對于立方和六邊形金屬，C:0.060.076。影響熱膨脹系數(shù)的因素1具有相同化學成分的材料具有不同的結構和不同的熱膨脹系數(shù)。2粘結強度高的材料熱膨

11、脹系數(shù)低；3晶體結構致密的材料熱膨脹系數(shù)較大，而非晶結構疏松的材料熱膨脹系數(shù)較小。非等軸晶在不同的晶軸方向有不同的膨脹系數(shù)，如層狀材料和石墨，因為層間有很強的聯(lián)系，但層間的聯(lián)系要弱得多。層間膨脹系數(shù)大，層間膨脹系數(shù)小。體積膨脹系數(shù)小的各向異性材料是優(yōu)良的抗熱震材料。影響金屬材料熱膨脹系數(shù)的其他因素當相變發(fā)生時，熱膨脹系數(shù)會發(fā)生變化，鋼中的合金成分和顯微組織、晶體結構和組成相材料。純金屬異構化時，晶格結構重排伴隨著金屬比容的突然變化，導致線膨脹系數(shù)的不連續(xù)變化。沒有突然的變化合金中的溶質元素對合金的熱膨脹有明顯的影響。多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相的性質和數(shù)量。(5)熱膨脹系數(shù)的測量和應用(1

12、)熱膨脹系數(shù)的測量(1)望遠鏡直讀法(2)頂桿間接法(3)金屬線膨脹系數(shù)的測量。(2)展開分析用于研究材料。鋼結構轉變引起的體積效應會引起材料的膨脹和收縮，疊加在加熱或冷卻過程中溫度變化引起的膨脹和收縮上，導致膨脹曲線偏離一般規(guī)律。熱膨脹的應用(1)陶瓷的熱膨脹系數(shù)是材料的一個重要熱性能。普通陶瓷坯體和釉料的膨脹系數(shù)應匹配。當釉的膨脹系數(shù)適當?shù)匦∮谂黧w的膨脹系數(shù)時，壓應力抑制了釉層中微裂紋的產生和發(fā)展。如果釉層的膨脹系數(shù)大于坯體的膨脹系數(shù)，釉層會產生拉應力，對強度不利，過大的拉應力也會使釉層開裂；釉層的膨脹系數(shù)不應比坯體的膨脹系數(shù)小很多，否則釉層會剝落而產生缺陷。(1)材料的導熱性：固體材料的

13、熱量自動從熱端傳遞到冷端。熱傳導定律(837)被稱為導熱系數(shù)(或導熱系數(shù))，它是指在一定溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量，其單位為或；負號表示傳遞的熱量與溫度梯度的符號相反，即當熱量沿正軸傳遞時為0，0，當熱量沿負軸傳遞時為0，0。在一定的導熱系數(shù)溫度梯度下，單位時間內單位垂直面積的熱量，四種熱傳導、(2)熱傳導的微觀機理固體熱傳導主要是通過晶格振動、晶格波和自由電子運動來實現(xiàn)的。金屬材料由于有大量的自由電子，可以快速實現(xiàn)傳熱，一般具有較大的熱導率，其中晶格振動對熱導率的貢獻很?。辉诜墙饘俨牧现?，晶格中幾乎沒有自由電子，因此晶格振動是熱傳導的主要機制。當一個粒子處于較高的溫度狀態(tài)時

14、，它的熱振動會更強，而它的溫度較低、振動較弱的相鄰粒子在振動較強的粒子的影響下會被強化，熱振動能量會增加，從而使整個晶體中的熱量得以傳遞和轉移，即熱傳導。(1)聲子諧振子的能量變化不能取任何值，而只能取量子能量的整數(shù)倍。晶格振動中的能量是量子化聲波，稱為“聲子”。能量是氫理想氣體的熱傳導公式。(3)晶體材料的晶體熱傳導是聲子碰撞的結果，聲子碰撞引起的散射是晶體熱阻的主要來源。晶格熱振動是非線性的。晶格波與聲子之間的碰撞之間存在一定的耦合效應，這降低了聲子的平均自由程。晶格波之間的相互作用越大，聲子的碰撞概率越大，相應的平均自由程越小，熱導率越低。1.當聲子和聲子導熱系數(shù)溫度不太高時，主要考慮聲

15、亞胞波的作用；2.光子熱導率(1)光子熱導率概念固體具有輻射寬光譜電磁波和波長為0.440微米可見光的能量。熱輻射通過熱射線傳播，光子在光頻范圍內導熱(2)當單位體積絕對黑體的輻射能量不太高時，固體中的電磁輻射很弱，并且隨著溫度的升高，輻射能量越來越強，單位絕對黑體在溫度t下的輻射能量為e t，(3)輻射傳熱的體積熱容量(4)輻射能量的傳導率是輻射光子的平均自由程。對于具有透明輻射的介質，lr大，熱阻??；對于含o的介質材料的輻射熱導率取決于材料的光學性質。(3)影響材料導熱系數(shù)的因素溫度的影響熱容量Cv在低溫下與溫度的三次方成正比，并隨著溫度的升高而迅速增加，最大值出現(xiàn)在低溫(約40K)；德拜溫度后，Cv趨于一個恒定值，而L值隨著溫度的升高而減小，并隨著溫度的升高而迅速減小。溫度升高后，Cv幾乎沒有變化，而L值趨于下限，因此隨溫度的變化變得適中。在普通溫度范圍內，金屬材料的導熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低。當溫度超過一定值時，金屬材料的導熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低。2晶體結構聲子傳導的影響與晶格振動的不協(xié)調性有關。晶體結構越復雜，晶格振動的不協(xié)調性越強，晶格波散射越大，聲子平均自由程越小，熱導率越低。非等軸晶的熱導率是各向異性的，如在低膨脹系數(shù)方向的最大熱導率；隨著溫度的升高，不同方向的熱導率趨于一致，因為晶體結構隨著溫度的升高趨于具有更高的對