材料的热学性能

第五章材料的热学性能

第一节材料的热容5.1.1固体热容理论一、杜隆—珀替定律锗和硅的摩尔热容第五章材料的热学性能

第一节材料的热容二、爱因斯坦理论引入点阵振动能量量子化的概念，把晶体阵点上的原子看作独立的谐振子，以相同的频率作互不依赖的振动，得到晶体的摩尔热容：第五章材料的热学性能

第一节材料的热容热容的爱因斯坦模型理论值与实验值的比较第五章材料的热学性能

第一节材料的热容三、德拜理论晶体中各原子间存在看弹性斥力和引力。这种力使原子的热振动相互受着牵连和制约，从而达到相邻原子间协调齐步地振动，并认为每个谐振子的频率不同．存在的频率范围从零到某一最大值。每一频率的谐振子都以波的形式在点阵中传播。晶体中的点阵波是所有原子以其各自的频率，彼此间存在一定相位差而振动的集体运动。德拜模型第五章材料的热学性能

第一节材料的热容德拜热容公式为：第五章材料的热学性能

第一节材料的热容德拜模型理论值与实验值的比较德拜模型比起爱因斯坦模型有了很大的进步，但由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用，故德拜理论对一些化合物的热容计算与实验不符。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容德拜温度：原子体积德拜温度是反映原子间结合力的又一重要物理量。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容5.1.2金属与合金的热容(1)自由电子对热容的贡献金属的热容由点阵振动和自由电子两部分的贡献组成，即常温时与点阵振动对热容的贡献相比，电子的贡献微不足道，但在极高温和极低温条件下则不可忽略。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容固态化合物分子热容C，是由组元原子热容按比例相加而得，其数学表达式为：(2)合金的热容称为奈曼—考普定律注：不适用于低温体条件（温度低于德拜温度）或铁磁性合金。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容5.1.3相变对热容的贡献一级相变：二级相变：第五章材料的热学性能

第一节材料的热容5.1.4热分析一、差热分析(DAT)差热分析法是在测定热分析曲线的同时，利用差热电偶测定待测试样和标准试样的温差而得到的。热分析法大体分为：普通热分析、差热分析和微分热分析普通热分析法就是简单地测定加热或冷却过程中温度随时间变化的热分析曲线，用于确定材料的结晶、熔化温度或温区。仪器thermalanalysis样品参比物电热丝热电偶金属第五章材料的热学性能

第一节材料的热容差热分析原理示意图原理thermalanalysis恒定加热速率时，测样品温度的变化速率通常T稳速上升，熔化或吸/放热反应T平台参比物：在所测范围内不发生任何热效应记录样品与参比物之间的温差Al2O3

差热仪炉子供给的热量为Q

试样无热效应时：QSQRTS=TRΔT=0

试样吸热效应时：(Q－g)SQR

TS＜TRΔT＜0

试样放热效应时：(Q＋g)S

QRTS＞TRΔT＞0

在上面三种状态下其EAB=f(ΔT)就有三个不同值，带动记录笔就可画出DTA曲线。返回典型的DTA曲线thermalanalysis差热曲线的分析差热曲线中峰的数目、位置、方向、高度、宽度和面积等均具有一定的意义。比如，峰的数目表示在测温范围内试样发生变化的次数；峰的位置对应于试样发生变化的温度；峰的方向则指示变化是吸热还是放热；峰的面积表示热效应的大小等等。因此，根据差热曲线的情况就可以对试样进行具体分析，得出有关信息。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容二、微分热分析为了测定焊接、轧制、淬火等连续、快速冷却条件下金属材料的相变点，可以采用微分热分析。这种方法主要是测定试样温度随时间的变化率dT／dt。三、差示扫描量热法(DAT)既可测定相变温度又可进行相变潜热的定量分析．所用的试样只需几毫克碎料即可．已广泛用于各种无机材料的研究中。第五章材料的热学性能

第一节材料的热容差示扫描量热法——

DSC（DifferentialScanningCalorimetry）

DTA技术具有快速简便等优点，但其缺点是重复性较差，分辨率不够高，其热量的定量也较为复杂。1964年，美国的Waston

和O’Neill在分析化学杂志上首次提出了差示扫描量热法（DSC）的概念，并自制了DSC仪器。不久，美国Perkin-Elmer公司研制生产的DSC-I型商品仪器问世。随后，DSC技术得到迅速发展，到1976年，DSC方法的使用比例已达13.3%，而在1984已超过20%（当时DTA为18.2%），到1986年已超过1/3。到目前为止，DSC堪称热分析三大技术（TG，DTA，DSC）中的主要技术之一。近些年来，DSC技术又取得了突破性进展，其标志是，几十年来被认为难以突破的最高试验温度——700℃，已被提高到1650℃，从而极大地拓宽了它的应用前景。差示扫描量热法（DSC）

的基本原理差示扫描量热法（DSC）是在温度程序控制下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。根据测量方法，这种技术可分为功率补偿式差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。对于功率补偿型DSC技术要求试样和参比物温度，无论试样吸热或放热都要处于动态零位平衡状态，使ΔT等于0，这是DSC和DTA技术最本质的区别。而实现使ΔT等于0，其办法就是通过功率补偿。对于热流式DSC技术则要求试样和参比物温差ΔT与试样和参比物间热流量差成正比例关系。请同学们看书P227功率补偿型DSC示意图S——试样；R——参比物其主要特点是试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器。整个仪器由两个控制系统进行监控。其中一个控制温度，使试样和参比物在预定的速率下升温或降温；另一个用于补偿试样和参比物之间所产生的温差。这个温差是由试样的放热或吸热效应产生的。通过功率补偿使试样和参比物的温度保持相同，这样就可以补偿的功率直接求算热流率返回差示扫描量热DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysis差示量热计代替加热炉样品和参比物各自独力加热分析曲线与DTA相同，但更准确产生温差用继电器启动功率补偿，保持同温应用：测反应焓、比热应用：观察熔点降低，测高纯有机物中杂质差示扫描量热DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysisCuSO4·5H2ODSCDTA差示扫描量热DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysis有机物含量测定应用醋氨酚(杂质为4－氨基酚)的DSC曲线熔化的峰温、峰高均随杂质增多而降低据此可进行纯度测定第五章材料的热学性能

第二节热膨胀5.2.1热膨胀的物理本质点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。原子的非简谐振动指材料的长度或体积在不加应力时随温度的升高而变大的现象晶体质点引力－斥力曲线和位能曲线第五章材料的热学性能

第二节热膨胀采用玻尔兹曼统计法，得出平均位移：第五章材料的热学性能

第二节热膨胀第二节热膨胀双原子相互作用势能曲线第五章材料的热学性能

第二节热膨胀5.2.2热膨胀系数与电阻温度系数的定义一样，金属材料在不出现相变和磁性转变的情况下，试样长度随温度的变化可以近似地表示成线性关系：ΔT和Δl趋向于零，且温度为T时材料的真线膨胀系数膨胀的应用随温度的改变而弯曲的双金属片，在相同的温度改变下，黄铜的膨胀和收缩量都比钢来的大。利用双金属片的弯曲来导通或切断电流。黄铜钢室溫冷热第五章材料的热学性能

第二节热膨胀热膨胀曲线与热容曲线比较5.2.3热膨胀系数与其它物理量的关系1、与热容的关系第五章材料的热学性能

第二节热膨胀2、与金属熔点的关系经验公式为：3、膨胀系数随元素的原子序数呈明显周期性变化5.2.4影响热膨胀的因素一、合金成分和相变二、晶体缺陷三、晶体的各向异性四、铁磁性转变第五章材料的热学性能

第三节热传导5.3.1热传导的定义热传导是指材料中的热量自动地从热端传向冷端的现象。傅里叶导热定律：热导率（导热系数）只适用于稳态热传导第五章材料的热学性能

第三节热传导热传导过程不稳定的情况：截面上各点的温度变化率：热扩散率（导温系数）它标志温度变化的速率热阻定义：热流量通过的截面所具有的温度差5.3.2热传导的微观机制第五章材料的热学性能

第三节热传导固体中的导热主要是靠晶格振动的格波（也就是声子）和自由电子的运动来实现的。如果固体的热导率为κ，则

κ

＝κph+κe

κph为声子热导率，κe为电子热导率第五章材料的热学性能

第三节热传导1．电子热传导一、金属材料的热传导：纯金属电子热导率

合金电子和声子5.3.3实际材料的热导率第五章材料的热学性能

第三节热传导2．热导率和电导率的关系在不太低的温度下，金属热导率与电导率之比正比于温度，称为魏德曼－夫兰兹定律：第五章材料的热学性能

第三节热传导第五章材料的热学性能

第三节热传导第五章材料的热学性能

第三节热传导3．热导率及其影响因素（1）纯金属导热性温度晶粒大小晶系杂质第五章材料的热学性能

第三节热传导（2）合金的导热性第五章材料的热学性能

第三节热传导无序有序二、无机非金属材料的热传导1.热传导的微观机制主要是声子导热第五章材料的热学性能

第三节热传导声子热传导当材料中某一质点处于较高温度时，其热振动较强烈，振幅较大，而邻近质点温度较低，热振动较弱；由于质点间有相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下，振动加剧，热运动能量增加，由此热量就能转移和传递，从温度较高处传向较低处，从而产生热传导现象．第五章材料的热学性能

第三节热传导光子热传导高温时明显高温时材料中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波频谱，其中波长在0.4—40μm间的可见光和近红外光具有较强的热效应，称其为热射线，其传递过程为热辐射。2.热导率的影响因素第五章材料的热学性能

第三节热传导（1）温度的影响（2）化学组分的影响（3）晶体结构的影响第五章材料的热学性能

第三节热传导（4）晶粒大小和各向异性的影响（5）非晶体的热导率第五章材料的热学性能

第三节热传导三、有机高分子材料的热导率：主要是通过分子与分子碰撞来进行，一般热导率和电导率都很低，通常用作绝热材料。第五章材料的热学性能

第三节热传导第五章材料的热学性能

第四节热电性5.3.4材料的热电性在温差较小时，电动势与温度差有线性关系：一、赛贝克效应塞贝克效应当两种不同材料A和B（导体和半导体）组成回路，且两接触处温度不同时，则在回路中存在电动势。这种效应称赛贝克效应。（1）接触电动势若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。（2）温差电动势对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。第五章材料的热学性能

温差热电势系数产生示意图第四节热电性导体A两端的温差电动势可用下式表示：eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——高、低温端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势。同样导体B两端的温差电动势如下式所示：ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)回路总电动势由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。在标定热电偶时，一般使T0为常数，则①热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。热电偶基本性质②只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。④导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势EAB（T，T0

）就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。⑤对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2……TN

，闭合回路总的热电动势为：第五章材料的热学性能

①要确定塞贝克热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成分和物理状态完全均匀，否则将要叠加一个难以确定的附加电势。这一规律有时称为均质导体定律；与塞贝克效应相关的基本规律是：第四节热电性反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。②如果在回路中引入第三种金属导体．那么只要第三种金属接入的两端温度相同，则对原回路所产生的热电势将不发生影响，这个规律称为中间导体定律。第五章材料的热学性能

第四节热电性T0T0BTAC③只要两种材料均质，两端温度恒定，即使回路中某一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变。这一规律称为中间温度定律。第五章材料的热学性能

第四节热电性标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BCABTTnTnCDT0T0M二、珀耳帖效应第五章材料的热学性能

当两种不同金属组成一回路并有电流在回路中通过时，将使两种金属的其中一接头放热，另一接头处吸热。电流方向相反，则吸放热接头改变，这种效应称为珀耳帖效应它满足下式：第四节热电性第五章材料的热学性能

三、汤姆逊效应具有温度梯度的一根均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象，即汤姆逊效应。设汤姆逊热效应产生的热吸收率为qA，则导体A的汤姆逊系数第四节热电性(a)均匀导体形成温度差(b)电流通过有温度差的导体产生吸热和放热第五章材料的热学性能

第四节热电性五、热电性的应用及其热电材料热电极的三种热电性质：（1）它的热电势与温度关系具有良好的线性关系。（2）具有大的热电势系数S。（3）材料性质具有复制性和温度—热电势关系的稳定性。材料的热容小结德拜理论德拜温度金属和合金的热容、陶瓷材料的热容差热分析热分析差示扫描量热法材料的热膨胀热膨胀的物理本质双原子势能曲线模型解释膨胀系数与其他物理量的关系热容熔点原子序数硬度影响因素：合金成分、相变、缺陷、各向异性材料的导热性宏观物理参数稳态：热导率非稳态导温系数热阻微观机制金属的热传导纯金属、合金与电导率的关系影响因素纯金属温度晶粒度各向异性杂质合金无序有序无机非金属材料声子导热光子导热:材料关系:温度关系）材料的热电性第六章材料的弹性与滞弹性弹性的物理本质胡克定律弹性模量及其影响因素滞弹性与内耗滞弹性内耗第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性6.1.1胡克定律对于各向同性物体，由单向拉伸实验已经证明，应力σ和应变ε之间具有线性关系：弹性模量（杨氏模量）反映材料抵抗正应变的能力泊松比反映材料横向正应变与受力方向线应变的相对比值。第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性在单向切变条件下，切应力τ和切应变γ之间有关切变模量反映材料抵抗切应变的能力单元体一般应力状态第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性刚度常数柔顺常数广义胡克定律：第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性6.1.2弹性模量的影响因素一、原子结构的影响二、温度的影响弹性模量值(主要是正弹性摸量E)和晶体点阵常数相联系的经验公式:随着温度的升高材料发生热膨胀现象，原子间结合力减弱，因此金届与合金的弹性模量将要降低。第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性弹性模量E的温度系数η和线膨胀(温度)系数α的关系为：弹性模量E的温度系数线膨胀(温度)系数第六章材料的弹性与滞弹性第一节弹性三、相变的影响第六章材料的弹性与滞弹性