材料物理性能材料的热熔PPT课件

1.人们对热的物理本质的认识
• 中国古代，金、木、水、火、土五行学说。 • 西方18世纪以前，热质说，认为热是一种物质。
支持者：培根、拉瓦锡、拉普拉斯等。
• 1798年，伦福德、戴维等发现摩擦生热，彻底摧毁 了热质说。
• 19世纪，焦耳通过一系列实验证明了热是同大量分 子的无规则运动相联系的。提出能量守恒定律，即 热力学第一定律。
建立合金相图 热弹性马氏体相变研究 液晶相变研究 合金的有序-无序转变研究
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小结
• 基本概念：声子、热容、比热容 • 晶体的热容随温度变化曲线 • 金属与陶瓷热容的区别 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术的原理与应用
我们常用水位升高一定高度需要 多少水表征瓶子的容量。
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本章内容
• 热容 • 热膨胀 • 热传导 • 热稳定性
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第一节 材料的热容
• 人们对热的物理本质的认识 • 热容、比热容 • 晶态固体的热容 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术及其应用
无机材料 金属材料
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• 1900年，普朗克解释黑体辐射现象，提出热量是量
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热力学四大定律
• 第一定律：能量守恒定律
• 第二定律：熵增加定律第一类永动机不可能 • 第三定律：绝对温标 第二类永动机不可能
• 第零定律：热平衡定律
迈尔、焦耳、亥姆霍兹 克劳修斯、开尔文 能斯特
福勒
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热力学第零定律：1930年福勒等人提出
C pab Tc T 2
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金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
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自由电子的贡献
点阵振动热容
自由电子热容
C VC V l C V eT3T
常温下，自由电子热容微不足道
高温和低温时，电子热容不能够忽略
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光频支：格波中频率高的振动波，质点间的位相差很大，邻 近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区。可以看成相 邻原子具有相反的振动方向。 反映晶格原子的相对运动
声频支
光频支
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第一节 材料的热容
• 人们对热的物理本质的认识 • 热容、比热容 • 晶态固体的热容 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术及其应用
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在空间科学技术中的应用
现代空间科学技术往往要求材料在变温条件，甚至在 极端温度条件下工作。如空间飞行器从发射、入轨以后的 轨道飞行直到再返回地球的过程中，要经受气动加热的各 个阶段，都会遇到超高温和极低温的问题，必须要有“有 效的隔热与防热措施”，这有赖于对其热过程进行热分析 和热设计，导热系数、比热、导温系数、热发射率、热 膨胀系数和粘度等则是热计算和热设计的关键参数，也是 研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。
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德拜模型
假设：晶格为连续介质；晶体振动的长声学波——连续介质的弹性波；在低 温频率较低的格波对热容有重要贡献；纵横弹性波的波速相等。
于是，假定
CV
3NkDfTD
其中， Dkma x4.81101max为徳拜特征温度，反应原子间结合力的大小。
fDTD3TD0TD eexxx142dx为徳拜比热函数
热力学第零定律示意图
内容: 若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。这一结论称做 “热力学第零定律”。
意义: 热力学第零定律的重要性在于它给出了 温度的定义和温度的测量方法。
11
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热究竟是什么？
热量传递的三种方式：
✓热传导 ✓热对流 ✓热辐射
CV
E3N2
T kT
ekT
2
3NkEfkT
ekT1
爱因斯坦比热函数
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令
E
，称为爱因斯坦温度。
k
➢ 当高温时， TE
CV
3NkE2
T
1E
T
1TE
2
1
3N
k3R
➢ 当低温时， TE
CV
3NkE
T
2eTE
➢ 当 T时0K， C V 也趋于零。
在该模型中，Cv与温度呈指数律变化，与实验得出的按 T3 变化规律仍有偏差。
ii) 彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有 机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。
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请思考
• 对于同等质量的砂子和水，砂子的升降温速度比水要快一些？ 如何衡量物体升降温的快慢？
• 什么是热容？
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什么是热容？
热容表示的是一个物体容纳热量的能力， 即吸收热能使之转化为内能的能力。
3N
3N
E Ei
i1
i1 ekT1
要想求得 ，C必V 先知道
i
爱因斯坦模型
所以，固体的摩尔热容为
CV
E TV
3N i1
ki 2
k T
ekT
i
2
ekT 1
德拜模型
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爱因斯坦模型
假设：把晶体点阵上的每个原子都看做成独立的振子，而且 都以相同的角频率振动。
E 3N ekT 1
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在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。 ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
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在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
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4. 现代热分析技术及其应用
• 热重分析（TG） • 差热分析（DTA） • 示差热分析（DSC） • 热机械分析（TMA）
定义：在程序控温下测量物质的物理性质与温度关系的 一类技术。
应用：金属、高分子、化学反应的动力学和反应机理研究。
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差热分析仪
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如何得到德拜温度？
➢通过熔点 ➢通过热容 ➢通过金属中弹性波传播速度
德拜温度
D 137
TM MVa2 / 3
TM M
Va
熔点 相对原子质量 原子体积
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➢ 当高温时， T D
CV3Nk3R
Cv
➢ 当低温时，
T D
3
CV 1524RTD
O
T
CV T3 ，与实验结果吻合。
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
CX 1C 1X2C 2...XnC n XiC i i 1
适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，但对铁磁 合金不适用。
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相变的热容变化
熔化和凝固 一级相变和二级相变 亚稳态组织转变
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地址：材料学院A302室
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热分析在材料领域中的应用
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专业术语
• 格波 • 声子 • 热容 • 差热扫描技术
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感谢您的观看。
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• 人们对热的物理本质的认识 • 热容、比热容 • 晶态固体的热容 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术及其应用
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无机材料的热容
• 高于 D 时，趋于常数；低于 D 时，与T 3 成正比； • 与材料结构的关系不大； • 相变时，热容出现了突变； • 单位体积的热容与气孔率有关。
能量为
En = n 1 h （式中n = 0,1,2,…,） 2
声子就是指格波的能量量子，它的能量等于h。 一个格波，也就是一种振动模，称为一种声子。
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声频支、光频支
格波中的两类：低频波与高频波。
声频支：振动着的质点中包含频率低的格波，质点彼此之 间的位相差不大。可以看成相邻原子具有相同的振动方向。 反映晶格原子的整体运动
Q
L
qs
S
0
Tm
T
金属熔化时热焓与温度的关系
液态金属的热容比固态的大。
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Q
Q
0
T0TΒιβλιοθήκη QQTT
0
Tc T
一级相变
0
Tc T
二级相变
➢ 一级相变有潜热，热容有突变； ➢ 二级相变无潜热，热容无突变。
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第一节 材料的热容
• 人们对热的物理本质的认识 • 热容、比热容 • 晶态固体的热容 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术及其应用
化合物定律——奈曼-柯普定律
化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
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晶态固体热容的经典理论
能量均分定理：
把每个原子当作一个三维的独立简谐振子，三个方向的振动 能量完全相同。
C d 3 d N A kT T 3 N A k 2J 5 /mK o l
经典理论或经验定律在低温阶段完全不能适用， 需用量子理论解释。
➢ 当 T0时K，
CV 0
德拜理论在温度越低的条件下，符合越好。
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实际材料的热容
• 无机材料（陶瓷）的热容 • 金属材料的热容
C VC V hC V eb3 T T
主要区别在于金属内部有大量的自由电子，而在 无机材料中，电子对热容的贡献基本上可以忽略不计。
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第一节 材料的热容
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2. 热容、比热容
热容： 在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量。
定容热容
CV
Q TV
U TV
定压热容
CP
Q TP
H TP
低温时，两者相差不大； 高温时Cp > Cv，为什么？
比热容： 1 kg 物质的热容，它与物质的本性有关。
等压比热容 等容比热容
在固体材料研究中，通常使用摩尔热容。
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金属铜的摩尔热容-温度曲线
CV,m
Cu
Ⅰ
Ⅱ
O
Ⅲ
T
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修正模式——量子理论
根据麦克斯韦-玻尔兹曼定律，一个振子的平均能量为：
n
e
n kT
E n 0
n
e kT
n0
取前几项，化简得
E
e kT 1
在高温时， kT
E
k T
ekT 1
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1 mol固体的平均能量为
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第一节 材料的热容
• 人们对热的物理本质的认识 • 热容、比热容 • 晶态固体的热容 • 热容的影响因素 • 现代热分析技术及其应用
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3. 晶态固体的热容
固体的热容
（晶格热振动）晶格热容 （电子的热运动）电子热容
经验定律
元素热容定律——杜隆-伯替定律
恒压下元素的原子热容为25 J/(mol·K)。
热本质上是能量的一种形式， 是由分子的无规则运动引起的。
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热量传递的基本方式
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热的本质？
• 热是晶格（或组成材料的分子）振动的一种表现形 式。温度的高低衡量了晶格振动的剧烈程度。
N
Ei Q
i 1
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• 晶格振动以弹性波（格波）的形式在材料内传播。 • 当温度不太高时，原子的振动可看作“谐振子”。