材料的热学性能.ppt

8.1 材料的热容,固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现。 在热力学中 Cv =( E/ T)V,第八章 材料的热学性能,E-材料的平均内能,热量 晶格 晶格振动 电子缺陷和热缺陷 频率为晶格波（振子） 振动的振幅的增加 振子的能量增加 以声子为单位增加振子能量（即能量量子化）,简谐振子的能量本质,经典统计理论的能量均分定理： 每一个单原子简谐振动的平均能量（动能1/2 kBT +位能1/2 kBT ）是kBT ，若固体中有N个原子，则有3N个简谐振动模， 总的平均能量: E=3NkBT (独立地在三个垂直方向上振动) 热容: Cv = 3NkB,低温下，晶体中原子之间的作用强，晶格振动的角频率由分子密度和声速决定，热容不是一个定值，热容随绝对温度的变化与T3成正比地接近于零。,热容的本质： 反映晶体受热后激发出的晶格波（即声子）与温度的关系； 对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能量也不同； 温度升高，原子振动的振幅增大，该频率的声子数目也随着增大； 温度 升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。,t,t,t1,t2,热膨胀：温度改变 toC时，固体在一定方向上发生相对长度的变化(L/Lo)或相对体积的变化( V/Vo)。 线膨胀系数： =(1/Lo)(L/ t) 体积膨胀系数： =(1/Vo)/(V/ t), 8.2 材料的热膨胀现象,膨胀系数不是一个定值，是随温度变化而变化的，应用时要注意温度范围(一般指20-1000） 膨胀系数的精确表达式为： =(1/L)(L/ t) =(1/V) ( V/ t),简谐近似：当原子离开其平衡位置发生位移时，它受到的相邻原子作用力与该原子的位移成正比。,非简谐振动,简谐近似,设在平衡位置时，两个原子间的互作用势能是：U(a); 产生相对位移后，两个原子间的互作用势能是：U(a+ ），将U(a+ ）在平衡位置附近用泰勒级数展开如下：,结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。,（2）热膨胀与结合能、熔点的关系,T1低 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数,T高具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数,声子的热传导,平衡时： 同样多的振动模式振同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数,热传导,dT/dx(温度梯度）,Q= -dT/dx（能流密度）J/s.cm2 单位时间内，通过单位面积的热能. -晶体的热导系数J/s.cm oC,作用于,产生,电子声子,晶体,光子,8.3 材料的 热传导,Cv：单位体积气体分子的比热-单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度-声子的运动速度； L：气体分子的平均自由程-声子的平均自由程。 Cv在高温时，接近常数，在低温时它随T 3变化；声速v 为一常数。 主要影响因素：声子的自由程L,导热系数与温度的关系,固体中的分子、原子和电子 振动、转动 高频电磁波（光子）,电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程-热辐射。 热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。 光子在介质中的传播过程-光子的导热过程。,光子热导,对于辐射线是透明的介质，热阻小， lr较大，如：单晶、玻璃，在773-1273K辐射传热已很明显； 对于辐射线是不透明的介质，热阻大， lr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显； 对于完全不透明的介质， lr=0，辐射传热可以忽略。,单质具有较大的导热系数 金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率。, 较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如: BeO,SiC,10 30 100 300 原子量,U,C,Si,Be,B,Mg,Al,Zn,Ni,Th,碳化物,氧化物,Ca,Ti,由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。,表明： 非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小； 两者在高温下比较接近； 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。,有 x = z = T E / （1 ) 在t=0的瞬间， x = z = max ，如果正好达到材料的极限抗拉强度f ，则前后两表面开裂破坏，