1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,1,第一章材料的熱學(xué)性能,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,2,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,3,在空間科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用,現(xiàn)代空間科學(xué)技術(shù)往往要求材料在變溫條件，甚至在極端溫度條件下工作。如空間飛行器從發(fā)射、入軌以后的軌道飛行直到再返回地球的過(guò)程中，要經(jīng)受氣動(dòng)加熱的各個(gè)階段，都會(huì)遇到超高溫和極低溫的問(wèn)題，必須要有“有效的隔熱與防熱措施”，這有賴于對(duì)其熱過(guò)程進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)、熱發(fā)射率、熱膨脹系數(shù)和粘度等則是熱計(jì)算和熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也是研制、評(píng)價(jià)和優(yōu)選所用隔熱和防熱材料的主要技術(shù)依據(jù)。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,4

2、,在能源科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用,i)保溫材料的優(yōu)選和保溫材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。,ii)遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)，以獲得最佳的能量利用率。,iii)太陽(yáng)能的利用：要求盡可能多地吸收太陽(yáng)輻射，并且要最大限度地抑制集熱器本身的熱損。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,5,在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用,i)在超大規(guī)模集成電路（容量和密集度迅速增大）中，要求集成塊的基底材料導(dǎo)熱性能優(yōu)良。,ii)彩電等多種電路中廣泛應(yīng)用的大功率管，其底部的有機(jī)絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導(dǎo)性。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,6,請(qǐng)思考,對(duì)于同等質(zhì)量的砂子和水，砂子的升降溫速度比水要快一些？如何衡量物體升降溫的快慢？什么是熱

3、容？,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,7,什么是熱容？,熱容表示的是一個(gè)物體容納熱量的能力，即吸收熱能使之轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能力。,我們常用水位升高一定高度需要多少水表征瓶子的容量。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,8,本章內(nèi)容,熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,9,第一節(jié)材料的熱容,人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱容、比熱容晶態(tài)固體的熱容熱容的影響因素現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,無(wú)機(jī)材料,金屬材料,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,10,1.人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí),中國(guó)古代，金、木、水、火、土五行學(xué)說(shuō)。西方18世紀(jì)以前，熱質(zhì)說(shuō)，認(rèn)為熱是一種物質(zhì)。1798年，倫福德、戴

4、維等發(fā)現(xiàn)摩擦生熱，徹底摧毀了熱質(zhì)說(shuō)。19世紀(jì)，焦耳通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了熱是同大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的。提出能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律。1900年，普朗克解釋黑體輻射現(xiàn)象，提出熱量是量子化的。1912年，能斯特提出了熱力學(xué)第三定律，熱學(xué)理論完整地建立起來(lái)。,支持者：培根、拉瓦錫、拉普拉斯等。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,11,熱力學(xué)四大定律,第一定律：能量守恒定律第二定律：熵增加定律第三定律：絕對(duì)溫標(biāo)第零定律：熱平衡定律,邁爾、焦耳、亥姆霍茲,克勞修斯、開爾文,能斯特,福勒,第一類永動(dòng)機(jī)不可能,第二類永動(dòng)機(jī)不可能,12,熱力學(xué)第零定律：1930年福勒等人提出,熱力學(xué)第零定律示意圖

5、,內(nèi)容:若兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱做“熱力學(xué)第零定律”。,意義:熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,13,熱究竟是什么？,熱量傳遞的三種方式：,熱傳導(dǎo),熱對(duì)流,熱輻射,熱本質(zhì)上是能量的一種形式，是由分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,14,熱量傳遞的基本方式,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,15,熱的本質(zhì)？,熱是晶格（或組成材料的分子）振動(dòng)的一種表現(xiàn)形式。溫度的高低衡量了晶格振動(dòng)的劇烈程度。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)

6、院,.,16,聲子就是指格波的能量量子，它的能量等于h。一個(gè)格波，也就是一種振動(dòng)模，稱為一種聲子。,晶格振動(dòng)以彈性波（格波）的形式在材料內(nèi)傳播。當(dāng)溫度不太高時(shí)，原子的振動(dòng)可看作“諧振子”。能量為,En=,（式中n=0,1,2,）,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,17,聲頻支、光頻支,聲頻支：振動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率低的格波，質(zhì)點(diǎn)彼此之間的位相差不大。可以看成相鄰原子具有相同的振動(dòng)方向。,光頻支：格波中頻率高的振動(dòng)波，質(zhì)點(diǎn)間的位相差很大，鄰近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幾乎相反，頻率往往在紅外光區(qū)?？梢钥闯上噜徳泳哂邢喾吹恼駝?dòng)方向。,聲頻支,光頻支,格波中的兩類：低頻波與高頻波。,反映晶格原子的整體運(yùn)動(dòng),反映

7、晶格原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,18,第一節(jié)材料的熱容,人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱容、比熱容晶態(tài)固體的熱容熱容的影響因素現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,19,2.熱容、比熱容,熱容：,比熱容：,在沒(méi)有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量。,定容熱容,定壓熱容,1kg物質(zhì)的熱容，它與物質(zhì)的本性有關(guān)。,等壓比熱容,等容比熱容,在固體材料研究中，通常使用摩爾熱容。,低溫時(shí)，兩者相差不大；高溫時(shí)CpCv，為什么？,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,20,第一節(jié)材料的熱容,人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱容、比熱容晶態(tài)固體的熱容熱容的影響

8、因素現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,21,3.晶態(tài)固體的熱容,元素?zé)崛荻啥怕?伯替定律恒壓下元素的原子熱容為25J/(molK)?；衔锒赡温?柯普定律化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和。,經(jīng)驗(yàn)定律,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,22,晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典理論,經(jīng)典理論或經(jīng)驗(yàn)定律在低溫階段完全不能適用，需用量子理論解釋。,能量均分定理：,把每個(gè)原子當(dāng)作一個(gè)三維的獨(dú)立簡(jiǎn)諧振子，三個(gè)方向的振動(dòng)能量完全相同。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,23,金屬銅的摩爾熱容-溫度曲線,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,24,修正模式量子理論,根據(jù)麥克斯韋

9、-玻爾茲曼定律，一個(gè)振子的平均能量為：,取前幾項(xiàng)，化簡(jiǎn)得,在高溫時(shí)，,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,25,1mol固體的平均能量為,所以，固體的摩爾熱容為,要想求得，必先知道,愛(ài)因斯坦模型,德拜模型,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,26,愛(ài)因斯坦模型,假設(shè)：把晶體點(diǎn)陣上的每個(gè)原子都看做成獨(dú)立的振子，而且都以相同的角頻率振動(dòng)。,愛(ài)因斯坦比熱函數(shù),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,27,令，稱為愛(ài)因斯坦溫度。,當(dāng)高溫時(shí)，,當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，,當(dāng)時(shí)，,也趨于零。,在該模型中，Cv與溫度呈指數(shù)律變化，與實(shí)驗(yàn)得出的按T3變化規(guī)律仍有偏差。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,28,德拜模型,假設(shè)：晶

10、格為連續(xù)介質(zhì)；晶體振動(dòng)的長(zhǎng)聲學(xué)波連續(xù)介質(zhì)的彈性波；在低溫頻率較低的格波對(duì)熱容有重要貢獻(xiàn)；縱橫彈性波的波速相等。,為徳拜特征溫度，反應(yīng)原子間結(jié)合力的大小。,于是，假定,其中，,為徳拜比熱函數(shù),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,29,如何得到德拜溫度？,通過(guò)熔點(diǎn)通過(guò)熱容通過(guò)金屬中彈性波傳播速度,熔點(diǎn),相對(duì)原子質(zhì)量,原子體積,德拜溫度,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,30,當(dāng)高溫時(shí)，,當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，,當(dāng)時(shí)，,，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。,德拜理論在溫度越低的條件下，符合越好。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,31,實(shí)際材料的熱容,無(wú)機(jī)材料（陶瓷）的熱容金屬材料的熱容,主要區(qū)別在于金屬內(nèi)部有大量的自由電子

11、，而在無(wú)機(jī)材料中，電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)基本上可以忽略不計(jì)。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,32,第一節(jié)材料的熱容,人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱容、比熱容晶態(tài)固體的熱容熱容的影響因素現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,33,無(wú)機(jī)材料的熱容,高于時(shí)，趨于常數(shù)；低于時(shí)，與成正比；與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大；相變時(shí)，熱容出現(xiàn)了突變；單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,34,金屬材料的熱容,自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn),合金成分對(duì)熱容的影響,相變時(shí)的熱容變化,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,35,自由電子的貢獻(xiàn),常溫下，自由電子熱容微不足道高溫和低溫時(shí)，電子熱

12、容不能夠忽略,點(diǎn)陣振動(dòng)熱容,自由電子熱容,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,36,合金成分的影響,合金的熱容是每個(gè)組成元素?zé)崛菖c其質(zhì)量百分比的乘積之和。,適用于金屬化合物、金屬與非金屬的化合物，但對(duì)鐵磁合金不適用。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,37,相變的熱容變化,熔化和凝固一級(jí)相變和二級(jí)相變亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,38,金屬熔化時(shí)熱焓與溫度的關(guān)系,Q,0,T,Tm,L,S,qs,液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)的大。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,39,一級(jí)相變有潛熱，熱容有突變；二級(jí)相變無(wú)潛熱，熱容無(wú)突變。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,40,第一節(jié)材

13、料的熱容,人們對(duì)熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱容、比熱容晶態(tài)固體的熱容熱容的影響因素現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,41,4.現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用,熱重分析（TG）差熱分析（DTA）示差熱分析（DSC）熱機(jī)械分析（TMA）,定義：在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。應(yīng)用：金屬、高分子、化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理研究。,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,42,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,43,地址：材料學(xué)院A302室,差熱分析儀,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,44,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,45,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,4

14、6,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,47,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,48,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,49,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,50,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,51,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,52,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,53,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,54,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,55,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,56,熱分析在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用,建立合金相圖,熱彈性馬氏體相變研究,液晶相變研究,合金的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變研究,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,57,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,58,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,.,59,中國(guó)礦