第一章材料的热学性能

熔点较高的金属，具有较低的膨胀系数。
1.3.4 影响膨胀性能的因素
1. 相变的影响
一级相变：有潜热、比热容无限大，体积发生突变，膨胀 系数发生突变。
二级相变：无潜热，无体积发生突变，比热容和膨胀系数
发生突变。
1.3.4 影响膨胀性能的因素
2. 组织成分的影响 （1）形成固溶体
固溶体的膨胀与溶质元素的膨胀系数和含量有关。溶质元 素的膨胀系数高于溶剂基体时，将增大膨胀系数。 （2）不同结构形态的物质
(3)比热容
质量为1Kg的物质在没有相变和化学反应条件下 升高1K所需的热量。它与物质的本性有关，通常用 小写的英文字母c表示，单位为J/(kg.K)。
cp

1 m
(
Q T
)p
cV

1 ( Q m T
)V
1.2 材料的热容
(4) 摩尔热容
质量为1mol的物质在没有相变和化学反应条件
下升高1K所需的热量。它与物质的本性有关，通常
材料物理性能检测标准
中国计量学院 标准化学院
主讲：史耀君
大学物理
课程体系 标准化入门
材料科学基础
标准化基础 标准化原理
材料标准化 材料物理性能检测标准
课程介绍
《材料物理性能检测标准》是标准化工程专业材料标准化方向教学计 划中一门理论性和实践性很强的专业基础课。
该课程在学习《高等数学》、《大学物理》、《材料科学基础》等课 程的基础上，学习有关材料物理性能等分析测试的基本理论和技术， 为后续材料专业检测标准学习打基础。
1.2 材料的热容
根据热力学第二定律可以导出：
C Pm
CVm

V2VmT
K
Vm
V
dV VdT
K dV VdP
摩尔体积， 体膨胀系数， 压缩系数。
1.2 材料的热容 对于固体材料CP，m与CV，m差异很小
1.2 材料的热容
热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质
的摩尔热容测量表明，定容热容C和温度的关系与定压热容有相
晶格振动对晶体的物理性质有影响.
例如：固体的比热、热膨胀、热传导等直接与晶格的振动有关。
1.1 概述
格波：晶格中的所有质点以相同频率振动而形成的波，或某 一个质点在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形 成的波。 格波的特点： 晶格中质点的振动；
相邻质点间存在固定的位相。
1.1 概述
热学性能的主要应用：
微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等使用的材料 要求的热膨胀系数低；
电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系数； 热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； 工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大气层的隔热
材料要求具有优良的隔热性能； 晶体管散热器等要求优良的导热性能……
环节等。 考核方式：考试
课程介绍
推荐教材：
1、邱成军、王元化、王义杰等，《材料物理性能》，哈尔滨工业大学出 版社，2003。
主要参考书：
1、马小娥主编，《材料实验与测试技术》，中国电力出版社, 2008。 2、吴其胜主编，《材料物理性能》，华东理工大学出版社，2006。
课程介绍
1 第一章 材料的热学性能 2 第二章 材料的电学性能 3 第三章 材料的磁学性能 4 第四章 材料的光学性质 5 第五章 材料的弹性及内耗分析 6 第六章 核物理检测方法及其应用
教学时数（22） 2 4 6 4 4 2
课程介绍
序 号
实验项目
学 时
基本要求
实验 实验 性质 类别
1
材料导电性能的测量
掌握材料电阻测量的基本方 2 法与原理、熟悉检流计的使 综合 必做
用，计算分析出材料的电阻
了解振动样品磁强计（VSM
2
振动样品磁强计（VSM）测 试及分析
4
）的结构、工作原理及操作 过程，通过样品的测试分析
1.2 材料的热容
热容 是物体温度升高1K所需要增加的能量。
Q C ( T )T （J/K）
它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。是分 子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。不 同环境下，物体的热容不同。
1.2 材料的热容
（1）定容热容Cv 在加热过程中体积不变
H U pV
CV
势能曲线不是严格对称抛物线。 随着温度的升高，原子的振动 能量、最大势能增加
振动原子的平衡位置漂移
造成平衡距离的增大，发生晶 格膨胀。
1.3.3 热膨胀与其它物理性能的关系
1．膨胀系数与热容的关系
格律乃森根据晶格热振动理论导出了它们之间的关系。
V

rCV K 0V
l

rCV 3 K 0V
r 为格律乃森常数，K0 为 0K 时的体积弹性模量。
根据振动频率的高低，分为声频支振动和光频支振 动（红外光区）。
频率甚低的格波，质 点彼此之间的位相差 不大，则格波类似于 弹性体中的应变波， 称为“声频支振动”。
对于声学波，相邻原子都是沿着同一方向振动，当波 长很长时，声学波实际上代表原胞质心的振动。
1.1 概述
格波中频率甚高的振动 波，质点彼此之间的位 相差很大，邻近质点的 运动几乎相反时，频率 往往在红外光区，称为 “光频支振动”。
用大写的英文字母Cm表示，单位为J/(mol.K)。
C p,m

1 M
(
Q T
)p
CV ,m

1 M
(
Q T
)V
1.2 材料的热容
由于定容热容CV反映系统内能的变化，由其可直 接计算系统的能量增量，其更有理论意义。
实际中测得的热容是定压热容Cp，通常简称热容。
定压热容Cp
计算
定容热容CV
在固体材料的研究中，通常使用摩尔热容表示热容。
似的规律。
(1) 在高温区
Cv的变化平缓
(2) 低温区
Cv ～ T3
(3) 温度接近0K时， Cv ～ T
(4) 0K时，
Cv ～ 0
热容来源： 受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和
电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K） 的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。
原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，光学 波代表原胞中两个原子的相对振动。如离子晶体中正 负离子间的相对振动。
1.1 概述
由于光频支是不同原子相对振动引起的，
所以一个分子中有n个不同原子，会有（n-1）
个不同频率的光频波。如果晶格有N个分子，
则有个N（n-1）光频波。
对于离子晶体，可利用红外吸收光谱，通 过共振吸收，了解离子间的结合情况。
1.1 概述 热性能的物理本质：晶格热振动
根据牛顿第二定律，一维简谐振动方程为：
m

dxn2 dt 2

( xn1
xn1 2xn )
式中：
= 微观弹性模量，
m = 质点质量，
x = 质点在x方向上位移。
1.1 概述
1 2 m
晶胞中每个质点所处的环境不同，β不同，每个质点在热 振动时都有一定的振动频率，N个不同质点，就有N个频率组 合在一起。
综合
必做
磁特性
熟悉设备的结构、工作原理
3
BH测试仪及其PFM磁性测 量系统
2
及操作过程，通过实际操作 演示，分析两台设备对磁性
综合
必做
能测试的区别与共同点
4
材料弹性模量的测量
掌握测量材料弹性模量的方 2 法与原理，根据不同方法计 综合 必做
算并分析出材料的弹性模量
引言
材料科学与工程四要素
引言
引言 材料的物理性能有哪些？ 电、介电、热、光、磁、弹性和内耗
与上式比较，就有以下近似关系： V 3l 对于各向异性的晶体，各晶轴方向的线膨胀系数不同， 假如分别为αa、αb、αc，则
VT laT lbT lcT la0lb0lc0 (1 aT )(1 bT )(1 cT )
同样忽略α二次方以上项：
VT V0[1 (a b c )T ]
1.3.5 膨胀的测量
膨胀测量是材料热性能的一种物理方法。 核心： 设法将膨胀量放大，精确测量热膨量。
测量方法： 光学式、电测式、机械式。
1.3.5 膨胀的测量
1.光学膨胀仪 （1）光杠杆膨胀仪 （2）光干涉法
2.电测式膨胀仪 （1）电感式膨胀仪 （2）电容式膨胀仪
3. 机械式膨胀仪 （1）千分表式膨胀仪 （2）杠杆式膨胀仪
格律乃森定律指出：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的 温度依赖关系。
2．膨胀系数与熔点的关系
格律乃森总结出金属膨胀系数与熔点的反比例关系：
TmV
VTm V0 V0
C
Tm 为熔点温度， VTm 为熔点温度固态金属的体积，
V0 为 0K 金属的体积，
C 为常数，约在0.06～0.076之间。
温度升高时，动能加大，振幅和频率均加大。
各质点热运动时，动能的总和为物体的热量。
n i
(热运动能量)i
=
热量
1.1 概述
晶格振动的传播：以弹性波（格波）的形式。
由于材料中质点间有很强的相互作用力，因此一个质点 的振动会使临近质点随之振动。因相邻质点间的振动存在一 定的相位差，故晶格振动以弹性波的形式（格波）在整个材 料内传播。弹性波是多频率振动的组合波。
1.3 材料的热膨胀
1.3.1 热膨胀系数
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做
热膨胀。
l l0
lT
式中，αl＝线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。
物体在温度 T 时的长度lT为：
lT l0 l l0 (1 lT )
1.3 材料的热膨胀
无机材料的l 105 ~ 106 / K ,αl通常随T升高而加大。同理， 物体体积随温度的增加可表示为：
课程的任务是通过本课程的学习，使学生掌握材料热学、电学、磁学、 光学和弹性等性能的分析测试标准化方法与技术。学生通过本课程的 学习，可以在以后制定材料检测技术标准的学习和研究过程中应用所 学的知识分析问题、解决问题。
课程介绍
成绩构成：平时成绩（30%）+期末考试（70%） 平时成绩：课堂出勤、课堂回答、课后作业、实践

( Q T
)V
( H T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
)V
( U T
)V
不对外做功，所供给的热量只用于物体内能增加。
1.2 材料的热容
(2)定压热容Cp 在加热过程中压强不变。
H U pV
Cp

(
Q T
)p

(
U T
)p

p
V T
所供给的热量除了用于物体内能增加外，还对外做功。
1.2 材料的热容
1.4.1 热传导的基本概念和定律
本课程的学习就是以上述这些物理性能为主要内 容，研究其物理本质、测试方法以及测试标准。
第一章 材料的热学性能
材料的热学性能： 主要包括热容，热膨胀，热传导，热稳定性等。
教学内容： 1.1 概述 1.2 材料的热容 1.3 材料的热膨胀 1.4 材料的热传导 1.5 材料的热稳定性
1.1 概述
1.3.6 膨胀分析的应用
主要用于相转变和结构转变的研究。 依据：
一级相变：有潜热、比热容无限大，体积有突变， 膨胀系数发生突变。
二级相变：无潜热，体积无突变，比热容和膨胀 系数发生突变。
1.4 材料的热传导
热传导：不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时， 会以传热的形式交换能量（能量迁移）。
所以
V a b c
1.3 材料的热膨胀
一般膨胀系数的精确表达式：
l

l lT
V
V V T
1.3.2 热膨胀的物理本质
当物体温度升高时，晶体中原子的振动加剧， 相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化，因 此温度升高而发生膨胀现象。
1.3 材料的热膨胀
1.3 材料的热膨胀
VT V0 (1 V T )
式中，αV体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长 值。
对于物体是立方晶体
VT lT3 l03(1 lT )3 V0 (1 lT )3
由于αl 值很小，可略 l2以上的高次项，则：
VT V0 (1 3lT )
1.3 材料的热膨胀
课程介绍
1 实践一 材料导电性能的测量 2 实践二 振动样品磁强计（VSM）测试及分析 3 实践三 BH测试仪及其PFM磁性测量系统 4 实践四 材料弹性模量的测量
课程介绍
教学内容 第一章 材料的热学性能 第二章 材料的电学性能 第三章 材料的磁学性能 第四章 材料的光学性质 第五章 材料的弹性及内耗分析 第六章 核物理检测方法及其应用
对于相同组成的物质，结构紧密的晶体膨胀系数大。
单晶 > 多晶 > 纳米 > 非晶 孔隙越多，膨胀系越小。
1.3.4 影响膨胀性能的因素
3. 各向异性的影响
单晶体的线性膨胀系数是各向异性的，不同的晶向有不同 的线膨胀系数，因而单晶体的膨胀特性不能以单一的量值表征。
4. 铁磁性转变的影响
铁磁性金属和合金，比如铁、钴、镍及其某些磁性合金。