材料的热性能

1、第3章 材料的性能3.3 热性能热膨胀热性能热容热传导“热热”使得我们现实世界使得我们现实世界中物质得以展现其多样性中物质得以展现其多样性的一面，我们无时无刻不的一面，我们无时无刻不在面对着热，热胀冷缩效在面对着热，热胀冷缩效应也在我们现实生活中扮应也在我们现实生活中扮演着重要的角色，那么什演着重要的角色，那么什么是材料的热性能呢？么是材料的热性能呢？3.3.1 热容一、基本概念1、声子、声子 振动产生弹性波称振动产生弹性波称为声子，其能量E可用波长或频率v表示，即E=hc/=hv，式中h和c分别为普朗克常数和光速。2、热容、热容 热容是1mol物质升高物质升高1K所需要的热量所需要的热量，单

2、位：J/(mol.K)。定压热容Cp定容热容Cv 对于晶体材料来说，在较高温度下热容为一常数，即Cp=3R=24.9J/(mol.K);在极低温度下，物质的热容与绝对温度的三次方成正比。 材料热量得失过程就是声子得失过材料热量得失过程就是声子得失过程，其结果是引起材料温度的变化，程，其结果是引起材料温度的变化，其变化程度可用热容表示。其变化程度可用热容表示。3.3.1 热容二、固体热容理论3.3.1 热容二、三种固体热容理论杜隆珀替把气杜隆珀替把气体分子的热容理体分子的热容理论直接应用于固论直接应用于固体，并用统计力体，并用统计力学处理热容。学处理热容。晶晶体摩尔热容为常体摩尔热容为常数。数。

3、格波的频率有一格波的频率有一定分布，即不为定分布，即不为常数。德拜考虑常数。德拜考虑到到低温下只有频低温下只有频率较低的长声学率较低的长声学波对热容才有重波对热容才有重要的贡献要的贡献，可用，可用连续介质中的弹连续介质中的弹性波来描述。性波来描述。爱因斯坦把晶体爱因斯坦把晶体中原子看成是具中原子看成是具有相同频率、并有相同频率、并在空间自由振动在空间自由振动的独立振子。引的独立振子。引用了用了晶格振动能晶格振动能量量子化即声子量量子化即声子的概念。的概念。3.3.2 热膨胀热膨胀一、热膨胀的本质 点阵结构中的质点间平均距离随点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。而并不能简单温度升高而增大

4、。而并不能简单解释为由于质点的振幅随温度的解释为由于质点的振幅随温度的升高而增大。升高而增大。二、膨胀系数 材料的尺度随温度变化的程度用膨胀系数表示，指的是温度变化1K时材料尺度的变化量。)(121121TTlllTlll 2、体积膨胀系数1、线膨胀系数3.3.2 热膨胀热膨胀三、势能图红色红色-对称的势能曲线对称的势能曲线黑色黑色-非对称的势能曲线非对称的势能曲线横坐标横坐标-原子间的距离原子间的距离纵坐标纵坐标-势能势能E1E2r0r1r0处：总势能达到最小，处：总势能达到最小，相互作用力为零，称为平相互作用力为零，称为平衡键合距离，即键长。衡键合距离，即键长。 当温度升高时当温度升高时,

5、原子吸收热能而原子吸收热能而产生振动，能量上升到产生振动，能量上升到E1，此，此时的平衡距离是时的平衡距离是r1。 由于曲线不对称，左边较陡而由于曲线不对称，左边较陡而右边较平缓，所以随能量升高平右边较平缓，所以随能量升高平衡距离不断增大，宏观上就是材衡距离不断增大，宏观上就是材料尺度的增加，即热膨胀。料尺度的增加，即热膨胀。平衡距离：在平衡距离：在En能能量时曲线上对应的两量时曲线上对应的两个横坐标值（距离）个横坐标值（距离）的平均值，也就是曲的平均值，也就是曲线之间截线的中点。线之间截线的中点。对称势能曲线：平衡距对称势能曲线：平衡距离不会随振动能的增加离不会随振动能的增加而改变，即没有热

6、膨胀而改变，即没有热膨胀现象。现象。3.3.2 热膨胀热膨胀四、影响热膨胀的因素 -键强和材料的组织结构键强和材料的组织结构（一）键强（一）键强 原子间的键合力越强时，其势能阱越深，如图所示。原子间的键合力越强时，其势能阱越深，如图所示。当能量增加当能量增加E时，原子间平衡距离增加时，原子间平衡距离增加r。可以发。可以发现，对于较强键来说，其现，对于较强键来说，其r较小，而对于较弱键来较小，而对于较弱键来说，其说，其r则较大。可见，原子间的键合力越强，其则较大。可见，原子间的键合力越强，其热膨胀系数越小。热膨胀系数越小。规律：规律： 聚合物聚合物分子链间以范德分子链间以范德华力结合，键合较弱，

7、因华力结合，键合较弱，因此热膨胀系数较大；此热膨胀系数较大； 陶瓷材料陶瓷材料以离子键和共以离子键和共价键结合，键合力较强，价键结合，键合力较强，因此热膨胀系数较小。因此热膨胀系数较小。3.3.2 热膨胀热膨胀四、影响热膨胀的因素 -键强和材料的组织结构键强和材料的组织结构（二）材料的组织结构（二）材料的组织结构结构紧密，膨胀系数大；结构紧密，膨胀系数大；结构疏松，膨胀系数小。结构疏松，膨胀系数小。五、膨胀系数的应用 工程中膨胀系数是经常要考虑的物工程中膨胀系数是经常要考虑的物理参数之一。如玻璃陶瓷与金属之理参数之一。如玻璃陶瓷与金属之间的封接，由于真空的要求，需要间的封接，由于真空的要求，需

8、要在低温和高温下两种材料的膨胀系在低温和高温下两种材料的膨胀系数比较相近。否则，容易漏气。数比较相近。否则，容易漏气。 结构疏松，内部的结构疏松，内部的空隙较多，当温度升空隙较多，当温度升高，原子的振幅加大，高，原子的振幅加大，原子间距离增加时，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙部分被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀较所容纳，宏观膨胀较小，即膨胀系数较小。小，即膨胀系数较小。3.3.3 热传导热传导 一、定义 某材料某材料内部温度不均匀内部温度不均匀或者或者两个温两个温度不同的物体相互接触度不同的物体相互接触，热就会自发，热就会自发地从地从高温度区高温度区向向低温度区低温度区传播。像这传播。像这

9、样，热量从系统的一部分传到另一部样，热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现分或由一个系统传到另一个系统的现象叫象叫热传导热传导。1500 KT 2300 KT Q温度差温度差3.3.3 热传导热传导二、傅立叶导热定律dxdTq 如果只考虑一维的热传导，并且温度分如果只考虑一维的热传导，并且温度分布不随时间而变，则当沿着布不随时间而变，则当沿着x坐标方向存坐标方向存在在温度梯度温度梯度dT/dx时，时，热量通量热量通量q与温度与温度梯度成正比：梯度成正比：为热导率，单位：为热导率，单位：。实用的计算实用的计算：Q=（T1-T2)A/b式中：容器壁厚为式中：容器壁厚为b，容器，容器的传热面积为的传热面积为A，b/(A)是是平壁面传导的热阻。平壁面传导的热阻。3.3.3 热传导热传导三、不同材料的热导率差异类类型型热导热导率大率大小小依赖因依赖因素素温度影温度影响响温度影响的原因温度影响的原因金属材料很高自由电子（主要）；晶格缺陷、微结构和制造工艺T，晶格