1、材料的熱性質(zhì)，熱性質(zhì)的物理基礎(chǔ)，熱容量，熱膨脹和熱傳導(dǎo)，熱性質(zhì)的物理基礎(chǔ)，1。晶格的熱振動固體材料的各種熱性質(zhì)都與構(gòu)成材料的粒子(原子和離子)的熱振動有關(guān)，晶格中的粒子(原子和離子)總是在它們的平衡位置附近輕微振動。晶格熱振動是三個(gè)方向線性振動的三維簡諧振動方程：振動頻率隨著Em的增加而增加，Em是熱性能的物理基礎(chǔ)，熱性能的物理基礎(chǔ)，熱運(yùn)動中每個(gè)粒子的動能之和，彈性波(也稱為晶格波)的組合波，多頻振動，(1)聲振動3360如果振動粒子包含頻率很低的晶格波，粒子之間的位置差不大。(2)光頻分支在：網(wǎng)格波中振動頻率較高的振動波，粒子間的位置差很大，頻率往往在紅外區(qū)域。(3)音頻分支可視為振動方向相

2、同的相鄰原子。光頻分支可以看作是相鄰原子相反的振動方向，形成一個(gè)小范圍高頻率的振動。第二熱容，(1)熱容的基本概念1。熱容量在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的情況下，材料在溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱為材料的熱容量，其單位為焦耳/千。熱容量的表達(dá)式為：不同的材料，不同的熱容量，第二熱容量，單位1摩爾材料的熱容量稱為“摩爾熱容量”，其單位為焦耳(摩爾)。同一種材料在不同溫度下的比熱容往往不同。通常，工程中使用的平均比熱容是指從溫度T1到T2的單位質(zhì)量材料所吸收的熱量的平均值，為33，360。從T1到T2的范圍越大，精度越差。當(dāng)溫度T2無限接近T1時(shí)，材料的比熱容，即比熱容為：的定壓加熱過程是在定壓下進(jìn)行的，

3、測得的比熱容高于定容加熱過程。在恒壓加熱過程中，物體不僅升溫，而且對外界做功(膨脹功)，溫度每升高1K就需要吸收更多的熱量。是三維靜態(tài)壓縮系數(shù)，是體積熱膨脹系數(shù)，CpCv根據(jù)熱力學(xué)第二定律，Cp和Cv的關(guān)系是這樣推導(dǎo)出來的：2。固體材料熱容的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律：(2)柯普的復(fù)合熱容定律：“復(fù)合分子的熱容等于構(gòu)成這種化合物的所有元素的原子熱容之和，”(1)元素的熱容定律：“元素在恒壓下的原子熱容等于25J(K摩爾)。根據(jù)經(jīng)典熱容理論，33，360個(gè)自由度的能量均分，每個(gè)自由度振動的平均動能和平均勢能為(1/2)kT。一個(gè)原子有三個(gè)振動自由度，平均動能和勢能之和等于3kT。一摩爾固體中有鈉原子，總能量，

4、一摩爾單原子固體物質(zhì)的摩爾常數(shù)熱容為0。熱容量是一個(gè)常數(shù)，與溫度無關(guān)。對于雙原子，摩爾恒熱容量為Cv，m=2x 25J/(Kmol)，三原子固體化合物的摩爾恒熱容量為Cv，m=3x 25J/(K mol)。在高溫區(qū)，摩爾熱容的變化在低溫區(qū)非常平緩。當(dāng)CP和MT3接近0K時(shí)，CV、M、CP和M=0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料的摩爾熱容隨溫度變化。經(jīng)典熱容理論在低溫下不適用，熱容隨溫度的變化應(yīng)該用量子理論來解釋。(2)固體熱容的量子理論是基于：在同一溫度下，物質(zhì)中不同粒子的熱振動頻率不同；同一粒子振動的能量在不同的時(shí)間是不同的。振動能量是量子化的。愛因斯坦模型和德拜模型與實(shí)驗(yàn)符合得很好。人們認(rèn)為晶體中的每

5、個(gè)原子都是一個(gè)獨(dú)立的振子，原子之間是相互獨(dú)立的，所有的原子都是振動的(1)當(dāng)溫度較高時(shí)，(813)可以展開成更高階的項(xiàng)，而(8-12)可以轉(zhuǎn)變成杜隆配第定律的形式，2德拜模型，(。在德拜熱容理論中，德拜溫度是一個(gè)重要參數(shù)，不同材料的德拜溫度不同。石墨為1970K，BeO為1173K，Al2O3為923K，與結(jié)合強(qiáng)度、材料彈性模量、熔點(diǎn)等有關(guān)。(816)，杜羅彭佩蒂定律，當(dāng)T趨向于0K時(shí)，CV、M和T3成比例地趨向于零。四白理論不能完全符合低溫下的事實(shí)，這是因?yàn)榫w畢竟不是一個(gè)連續(xù)體。總的來說，四百模型是足夠精確的，但是這個(gè)模型不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。這兩個(gè)熱容子理論，適用于金屬晶體和一些簡單的離子晶

6、體，如鋁、銅、碳、KCl等。與在寬溫度下的實(shí)驗(yàn)一致，并且不完全適用于其它化合物；實(shí)際材料往往是多相結(jié)構(gòu)，有晶界雜質(zhì)等缺陷，情況比較復(fù)雜，理論計(jì)算誤差較大。只討論了晶格振動能的變化與熱容量的關(guān)系。事實(shí)上，電子運(yùn)動能量的變化也有助于熱容量。(3)影響材料熱容的因素與材料的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。例如，在相變期間，由于熱量的不連續(xù)變化，熱容量也突然變化。1.固體的多型轉(zhuǎn)變屬于一級相變。2.二階相變在一定溫度范圍內(nèi)逐漸完成。為了不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變。伴隨轉(zhuǎn)變的熱效應(yīng)是不可逆的。4.材料熱容與溫度之間的關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)精確測量。經(jīng)驗(yàn)公式Cpa 10 bT 10 cT 10，固體在較高溫度下的熱容量是相加的，即物質(zhì)的

7、摩爾熱容量等于組成化合物的元素的原子熱容量之和，即化合物中元素I的原子序數(shù)；是化合物中元素I的摩爾熱容。(4)熱容量的測量；(1)用混合法測量固體材料的比熱容；(2)用電熱法測量固體材料的比熱容，通常用混合法和電熱法；(5)熱分析方法的應(yīng)用；(1)熱分析方法是根據(jù)不同溫度下熱、質(zhì)量、體積等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系來分析和研究材料。(1)差熱分析(DTA):在程序溫度控制下，測量樣品和參考物體之間的溫差與溫度(t)或時(shí)間(t)之間的關(guān)系；(2)差示掃描量熱法：一種分析技術(shù)，用于在程序溫度控制下，通過差示掃描量熱法測量加熱或冷卻過程中樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的溫差為零時(shí)，需要補(bǔ)充的熱量與溫度和時(shí)間之

8、間的關(guān)系。熱分析的應(yīng)用可以通過加熱或冷卻過程中的各種熱效應(yīng)來識別物質(zhì)，例如脫水、固相變化、熔化、固化、分解、氧化和聚合。它有助于確定陶瓷生產(chǎn)中各種原料的用量和制定燒成制度。在金屬材料的研究中，熱分析方法也被廣泛使用。(1)熱膨脹和熱膨脹系數(shù)的概念1。熱膨脹的概念物體的體積或長度隨溫度增加的現(xiàn)象。熱膨脹，2。平均線膨脹系數(shù)，3。真線膨脹系數(shù)3360k-1固體材料的真線膨脹系數(shù)通常隨著溫度的升高而增加，對于無機(jī)非金屬材料來說通常較小。4.體積膨脹物體的體積隨溫度升高而增大的現(xiàn)象，各向同性的立方材料，具有三倍各向異性的v、(2)熱膨脹的機(jī)理，當(dāng)顆粒位于平衡位置的兩側(cè)時(shí)，應(yīng)力是不對稱的，且合力曲線的斜

9、率在平衡位置的兩側(cè)不相等。當(dāng)r0時(shí)，曲線的斜率較大，但當(dāng)r0時(shí)，斜率較小。當(dāng)粒子振動時(shí)，平均位置不在ro，而是向右移動，因此相鄰粒子之間的平均距離增加。溫度越高，振幅越大，ro兩側(cè)顆粒的不對稱應(yīng)力越明顯。平衡位置向右移動越多，相鄰粒子之間的平均距離增加越多，導(dǎo)致晶胞參數(shù)和晶體膨脹增加。隨著溫度的升高，粒子的平均位置移動得越遠(yuǎn)，晶體膨脹得越多。晶體中熱缺陷的形成將導(dǎo)致局部晶格畸變和膨脹，這是次要的；然而，熱缺陷的濃度隨著溫度的升高呈指數(shù)增加，因此這一因素的影響在高溫下變得重要。熱膨脹和其他性能之間的關(guān)系1。熱膨脹與熱容的關(guān)系，加熱引起的固體材料體積膨脹是強(qiáng)化晶格振動的結(jié)果，強(qiáng)化晶格振動是原子(離

10、子)熱運(yùn)動能量的增加，單位溫度升高時(shí)能量的增加就是熱容。熱膨脹系數(shù)與熱容量密切相關(guān)，兩者的比值接近于一個(gè)恒定值。熱膨脹與結(jié)合能和熔點(diǎn)之間的關(guān)系熱膨脹與晶格粒子中的勢能有關(guān)，勢能由粒子之間的結(jié)合力決定。粒子間的結(jié)合力越強(qiáng)，勢阱就越深越窄。當(dāng)溫度升高時(shí)，顆粒振幅增加越小，熱膨脹系數(shù)越小。結(jié)合能大的熔點(diǎn)較高，通常熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小。格拉尼奇晶體的熱膨脹極限方程Tm (V Tm Vo)VoC是熔點(diǎn)溫度下的體積；0K時(shí)的體積；C是常數(shù)，不同的材料有不同的C值。對于立方和六邊形金屬，C:0.060.076。影響熱膨脹系數(shù)的因素1具有相同化學(xué)成分的材料具有不同的結(jié)構(gòu)和不同的熱膨脹系數(shù)。2粘結(jié)強(qiáng)度高的材料熱膨

11、脹系數(shù)低；3晶體結(jié)構(gòu)致密的材料熱膨脹系數(shù)較大，而非晶結(jié)構(gòu)疏松的材料熱膨脹系數(shù)較小。非等軸晶在不同的晶軸方向有不同的膨脹系數(shù)，如層狀材料和石墨，因?yàn)閷娱g有很強(qiáng)的聯(lián)系，但層間的聯(lián)系要弱得多。層間膨脹系數(shù)大，層間膨脹系數(shù)小。體積膨脹系數(shù)小的各向異性材料是優(yōu)良的抗熱震材料。影響金屬材料熱膨脹系數(shù)的其他因素當(dāng)相變發(fā)生時(shí)，熱膨脹系數(shù)會發(fā)生變化，鋼中的合金成分和顯微組織、晶體結(jié)構(gòu)和組成相材料。純金屬異構(gòu)化時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)重排伴隨著金屬比容的突然變化，導(dǎo)致線膨脹系數(shù)的不連續(xù)變化。沒有突然的變化合金中的溶質(zhì)元素對合金的熱膨脹有明顯的影響。多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。(5)熱膨脹系數(shù)的測量和應(yīng)用(1

12、)熱膨脹系數(shù)的測量(1)望遠(yuǎn)鏡直讀法(2)頂桿間接法(3)金屬線膨脹系數(shù)的測量。(2)展開分析用于研究材料。鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變引起的體積效應(yīng)會引起材料的膨脹和收縮，疊加在加熱或冷卻過程中溫度變化引起的膨脹和收縮上，導(dǎo)致膨脹曲線偏離一般規(guī)律。熱膨脹的應(yīng)用(1)陶瓷的熱膨脹系數(shù)是材料的一個(gè)重要熱性能。普通陶瓷坯體和釉料的膨脹系數(shù)應(yīng)匹配。當(dāng)釉的膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)匦∮谂黧w的膨脹系數(shù)時(shí)，壓應(yīng)力抑制了釉層中微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。如果釉層的膨脹系數(shù)大于坯體的膨脹系數(shù)，釉層會產(chǎn)生拉應(yīng)力，對強(qiáng)度不利，過大的拉應(yīng)力也會使釉層開裂；釉層的膨脹系數(shù)不應(yīng)比坯體的膨脹系數(shù)小很多，否則釉層會剝落而產(chǎn)生缺陷。(1)材料的導(dǎo)熱性：固體材料的

13、熱量自動從熱端傳遞到冷端。熱傳導(dǎo)定律(837)被稱為導(dǎo)熱系數(shù)(或?qū)嵯禂?shù))，它是指在一定溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，其單位為或；負(fù)號表示傳遞的熱量與溫度梯度的符號相反，即當(dāng)熱量沿正軸傳遞時(shí)為0，0，當(dāng)熱量沿負(fù)軸傳遞時(shí)為0，0。在一定的導(dǎo)熱系數(shù)溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)單位垂直面積的熱量，四種熱傳導(dǎo)、(2)熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理固體熱傳導(dǎo)主要是通過晶格振動、晶格波和自由電子運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。金屬材料由于有大量的自由電子，可以快速實(shí)現(xiàn)傳熱，一般具有較大的熱導(dǎo)率，其中晶格振動對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)很小；在非金屬材料中，晶格中幾乎沒有自由電子，因此晶格振動是熱傳導(dǎo)的主要機(jī)制。當(dāng)一個(gè)粒子處于較高的溫度狀態(tài)時(shí)

14、，它的熱振動會更強(qiáng)，而它的溫度較低、振動較弱的相鄰粒子在振動較強(qiáng)的粒子的影響下會被強(qiáng)化，熱振動能量會增加，從而使整個(gè)晶體中的熱量得以傳遞和轉(zhuǎn)移，即熱傳導(dǎo)。(1)聲子諧振子的能量變化不能取任何值，而只能取量子能量的整數(shù)倍。晶格振動中的能量是量子化聲波，稱為“聲子”。能量是氫理想氣體的熱傳導(dǎo)公式。(3)晶體材料的晶體熱傳導(dǎo)是聲子碰撞的結(jié)果，聲子碰撞引起的散射是晶體熱阻的主要來源。晶格熱振動是非線性的。晶格波與聲子之間的碰撞之間存在一定的耦合效應(yīng)，這降低了聲子的平均自由程。晶格波之間的相互作用越大，聲子的碰撞概率越大，相應(yīng)的平均自由程越小，熱導(dǎo)率越低。1.當(dāng)聲子和聲子導(dǎo)熱系數(shù)溫度不太高時(shí)，主要考慮聲

15、亞胞波的作用；2.光子熱導(dǎo)率(1)光子熱導(dǎo)率概念固體具有輻射寬光譜電磁波和波長為0.440微米可見光的能量。熱輻射通過熱射線傳播，光子在光頻范圍內(nèi)導(dǎo)熱(2)當(dāng)單位體積絕對黑體的輻射能量不太高時(shí)，固體中的電磁輻射很弱，并且隨著溫度的升高，輻射能量越來越強(qiáng)，單位絕對黑體在溫度t下的輻射能量為e t，(3)輻射傳熱的體積熱容量(4)輻射能量的傳導(dǎo)率是輻射光子的平均自由程。對于具有透明輻射的介質(zhì)，lr大，熱阻?。粚τ诤琽的介質(zhì)材料的輻射熱導(dǎo)率取決于材料的光學(xué)性質(zhì)。(3)影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素溫度的影響熱容量Cv在低溫下與溫度的三次方成正比，并隨著溫度的升高而迅速增加，最大值出現(xiàn)在低溫(約40K)；德拜溫度后，Cv趨于一個(gè)恒定值，而L值隨著溫度的升高而減小，并隨著溫度的升高而迅速減小。溫度升高后，Cv幾乎沒有變化，而L值趨于下限，因此隨溫度的變化變得適中。在普通溫度范圍內(nèi)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低。2晶體結(jié)構(gòu)聲子傳導(dǎo)的影響與晶格振動的不協(xié)調(diào)性有關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動的不協(xié)調(diào)性越強(qiáng)，晶格波散射越大，聲子平均自由程越小，熱導(dǎo)率越低。非等軸晶的熱導(dǎo)率是各向異性的，如在低膨脹系數(shù)方向的最大熱導(dǎo)率；隨著溫度的升高，不同方向的熱導(dǎo)率趨于一致，因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高趨于具有更高的對