第六章-材料的热学性能.ppt

材料的物理性能 材料的热学性能 材料的磁学性能 材料的电学性能 材料的光学性能 第六章 材料的热学性能 热学性能 热容（thermal content） 热膨胀（thermal expansion） 热传导（heat conductivity）等 本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础 热膨胀的利用 保温材料 1、热容 当加热一个物体时，它的温度会升高。不同物体升高相同温度所需要的热量是不一样的。有的物体加热到某一温度比较容易，而另一些物体却需要较大的功率和较长的时间。 而不同物体之间即使相同质量，升温的难易也是不一样的，取决于物体的本质。 显然，质量大的物体比质量小的物体难以升温，所需要的热量与质量有关。 定义单位质量的热容为比热容，用小写字母c表示，单位 J/(kg.K) 或 J/(g.K) 定义1mol材料的热容称为摩尔热容，用Cm表示，单位J/(mol.K) 平均比热容：单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的 热量的平均值 比定压热容：1mol材料加热过程在恒压条件下进行 时，所测定的比热容 比定容热容： 1mol材料加热过程在恒容条件下进行 时，所测定的比热容 热容随温度变化规律 高温区 Cv变化平缓 低温区 Cv∝T3 温度接近0K Cv∝ T 1.2 热容理论 热容来源于受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外作功。 19世纪已发现了两个有关晶体热容的经验定律。 元素的热容定律——杜隆·伯替定律 恒压下元素的原子热容为 大部分元素的原子热容都接近于该值，特别在高温时符合的更好，但是部分轻元素需改用下值： 部分轻元素的原子热容: 各种单质的比热容和原子量虽然有很大的差别，但其原子热容却几乎相等，都在6卡/（摩尔·℃）左右。到19世纪中叶人们才逐渐认识到这是由于1摩尔的单质原子中所含原子数目相等,物体温度升高所需热量决定于原子的多少而与原子的种类无关。 化合物的热容定律——柯普定律 化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和。 理论解释：C=Σnici。其中，ni＝化合物中元素i的原子数；ci＝元素 i 的摩尔热容。 所以双原子化合物的摩尔热容为2×25J/mol·K，三原子化合物的摩尔热容为3×25J/mol·K 1.3 热容的量子理论（了解） （1）爱因斯坦模型（Einstein model） 假设： 晶体中每一个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无关；所有原子都以相同的频率振动；振动能量是量子化的，都是以hv 为最小单位 计算得到晶体摩尔热容为： 式中：NA：阿弗加德罗常数；k：波尔茨曼常数 h: 普朗克常数；ν：谐振子的振动频率 令： 则： 1）当T﹥﹥θE时，有： 高温时，爱因斯坦理论与杜-珀定律一致 2）当T﹤﹤θE时：低温时 3) 当T→0K时 CV，m= 0 （2）德拜模型（Debye model） 假设：在爱因斯坦理论基础上，晶体中原子有相互作用，把晶体近似为连续介质 因此，导出的德拜热容表达式为： 式中： ＝德拜特征温度 1）当温度较高时，即T﹥﹥θD时，ex=1+x 2）当温度很低时，即T﹤﹤θD时，通过里曼函数运算可得 Cv∝T3，与实验热容曲线符合较好。 德拜三次方定律 1.4 实际材料的热容 1、金属的热容 要考虑自由电子对热容的贡献，因此 1）金属的热容来源于受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外作功 2）由于金属内部有大量自由电子，金属的热容还和自由电子对热容的贡献有关 因此金属的热容 2：合金的热容 合金中每个原子的热振动能与纯金属中同一温度的热振动能相同，因此合金的摩尔热容可由其组元的摩尔热容按比例相加而得 奈曼-考普定律（Neuman-kopp） m；n分别为组元的原子分数