材料的熱學(xué)性能學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料材料(cilio)的熱學(xué)性能的熱學(xué)性能第一頁(yè)，共73頁(yè)。定義：由于材料及其制品都是在一定的溫度定義：由于材料及其制品都是在一定的溫度(w(wnd)nd)環(huán)境下使用的，在使用過(guò)程中，將對(duì)環(huán)境下使用的，在使用過(guò)程中，將對(duì)不同的溫度不同的溫度(w(wnd)nd)做出反映，表現(xiàn)出不同的做出反映，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學(xué)性熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學(xué)性能。能。第1頁(yè)/共72頁(yè)第二頁(yè)，共73頁(yè)。第2頁(yè)/共72頁(yè)第三頁(yè)，共73頁(yè)。自控自控(z kn)調(diào)溫劑調(diào)溫劑 溫度溫度(wnd)控制閥控制閥 熱敏蠟熱敏蠟 第3頁(yè)/共72頁(yè)第四頁(yè)，共73頁(yè)。石英石英(sh

2、y(shyng)ng)陶瓷陶瓷快速快速(kui s)(kui s)模具模具陶瓷閥陶瓷閥第4頁(yè)/共72頁(yè)第五頁(yè)，共73頁(yè)。熱傳導(dǎo)膠帶熱傳導(dǎo)膠帶(ji(jiodi) odi) 鋁合金散熱器鋁合金散熱器 導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油第5頁(yè)/共72頁(yè)第六頁(yè)，共73頁(yè)。復(fù)合復(fù)合(fh)(fh)玻璃纖維板（保溫材料）玻璃纖維板（保溫材料）暖通空調(diào)領(lǐng)域暖通空調(diào)領(lǐng)域(l(ln n y) y)的早期應(yīng)用，主要發(fā)揮了它作為保溫材料的熱學(xué)性能。的早期應(yīng)用，主要發(fā)揮了它作為保溫材料的熱學(xué)性能。 保溫保溫(b(bowown)n)氈氈保溫材料保溫材料硅酸鋁制品硅酸鋁制品 第6頁(yè)/共72頁(yè)第七頁(yè)，共73頁(yè)。熱容：是物體溫度升高熱容：是物體

3、溫度升高1K所需要所需要(xyo)增加的能量。增加的能量。 （J/K） TTTQC)(沒(méi)有相變或化學(xué)反應(yīng)第7頁(yè)/共72頁(yè)第八頁(yè)，共73頁(yè)。TTTQmc)(1TmTQnC)(11.1 1.1 熱容熱容(r rn(r rn) )的的定義定義第8頁(yè)/共72頁(yè)第九頁(yè)，共73頁(yè)。mTTQcJ1.12ppppTHTVpTUTVpUTQC)()()(VVVVTUTVpUTQC)()()(溫度差越大精確度越小！ 式中：式中：Q熱量熱量(rling)，U內(nèi)能，內(nèi)能，HU+pV熱焓。熱焓。第9頁(yè)/共72頁(yè)第十頁(yè)，共73頁(yè)。可以看到Cp比Cv多了體積膨脹一項(xiàng)，所以CpCv。根據(jù)(gnj)熱力學(xué)第二定律可以導(dǎo)出： /

4、2TVCCmVP式中：V0摩爾容積(rngj)， 體膨脹系數(shù)（expansion coefficient）， 壓縮系數(shù)（compression coefficient）。VdTdVVdPdVVPCC第10頁(yè)/共72頁(yè)第十一頁(yè)，共73頁(yè)。Cp測(cè)定比較簡(jiǎn)單，但是Cv更有理論意義，可以(ky)直接由體系能量增量計(jì)算。試驗(yàn)中一般很難保證體積不變，所以實(shí)際測(cè)量得到的都是Cp恒壓熱容。不過(guò)對(duì)于固體材料CP與CV差異很小，但是到高溫處差異就比較明顯熱容熱容隨溫度隨溫度(wnd)變化？變化？第11頁(yè)/共72頁(yè)第十二頁(yè)，共73頁(yè)。Cv隨著溫度變化隨著溫度變化(binhu)的實(shí)質(zhì)？的實(shí)質(zhì)？熱容理論熱容理論第12頁(yè)

5、/共72頁(yè)第十三頁(yè)，共73頁(yè)。:)/(25,molkJCmP元元素素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.4)/(molkJ第13頁(yè)/共72頁(yè)第十四頁(yè)，共73頁(yè)。第14頁(yè)/共72頁(yè)第十五頁(yè)，共73頁(yè)。所以雙原子化合物的摩爾熱容為225J/molK，三原子化合物的摩爾熱容為325J/molK第15頁(yè)/共72頁(yè)第十六頁(yè)，共73頁(yè)。根據(jù)經(jīng)典理論，能量按自由度均分，每一振動(dòng)(zhndng)自由度的平均動(dòng)能和平均位能都為(1/2)kT,一個(gè)原子三個(gè)振動(dòng)(zhndng)自由度，平均位能和動(dòng)能之和為3kT。1mol 固體中有 個(gè)原子，總能量為 = 6.0

6、231023 / mol 阿佛加德羅常數(shù) = R/N = 1.38110-23 J/K 玻爾茨曼常數(shù) = 8.314 J/ (kmol) T熱力學(xué)溫度（K）RTkTNEA33ANKRAN第16頁(yè)/共72頁(yè)第十七頁(yè)，共73頁(yè)。 由上式可知，熱容是與溫度由上式可知，熱容是與溫度T無(wú)關(guān)的常無(wú)關(guān)的常數(shù)數(shù)(chngsh)，這就是杜隆一珀替定律。，這就是杜隆一珀替定律。按熱容(r rn)定義： )/(2533)(molkJRNkTECVV杜隆杜隆珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。但在低溫時(shí)，但在低溫時(shí)，CV 的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)(y )恒恒量，下面將對(duì)此簡(jiǎn)

7、要介紹熱容的量子理論。量，下面將對(duì)此簡(jiǎn)要介紹熱容的量子理論。 第17頁(yè)/共72頁(yè)第十八頁(yè)，共73頁(yè)。式中：NA：阿弗加德羅常數(shù)；k：波爾茨曼常數(shù) h: 普朗克常數(shù)；：諧振子的振動(dòng)頻率22,) 1()(3kThkThAmVeekThkNC第18頁(yè)/共72頁(yè)第十九頁(yè)，共73頁(yè)。RCTmVE3Re3,khE)(3) 1()(322,TRfeeTRCEETTEmVEETEmVEeTRC.)(32,第19頁(yè)/共72頁(yè)第二十頁(yè)，共73頁(yè)。l高溫區(qū)與實(shí)際高溫區(qū)與實(shí)際(shj)(shj)相同相同l在在IIII區(qū)，理論值較實(shí)區(qū)，理論值較實(shí)驗(yàn)值下降過(guò)快驗(yàn)值下降過(guò)快愛(ài)因斯坦特征溫度 E 愛(ài)因斯坦比熱(br)函數(shù))(

8、TfEE 熱容(r rn)的Einstenm模型理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較第20頁(yè)/共72頁(yè)第二十一頁(yè)，共73頁(yè)。1）當(dāng)溫度較高時(shí)，即TD時(shí)，ex=1+xkhmDdxexeTRCTxxDvD0243) 1()(9RCV3第21頁(yè)/共72頁(yè)第二十二頁(yè)，共73頁(yè)。34,)(.512DmVTRCDebye模型理論值與實(shí)驗(yàn)(shyn)值的比較德拜模型比起愛(ài)因斯坦模型有很大進(jìn)步(jnb)，但由于德拜把晶體看成是連續(xù)介質(zhì)，對(duì)于原子振動(dòng)頻率較高部分不適用。一般場(chǎng)合下，德拜模型已足夠精確。但解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象第22頁(yè)/共72頁(yè)第二十三頁(yè)，共73頁(yè)。TTCCCeVLVV3第23頁(yè)/共72頁(yè)第二十四頁(yè)，共73頁(yè)。 m；n

9、分別為組元的原子分?jǐn)?shù) Cm1；Cm2各組元的摩爾熱容21mmmnCmCC第24頁(yè)/共72頁(yè)第二十五頁(yè)，共73頁(yè)。 a；b；c系數(shù)可以通過(guò)相關(guān)資料給出 2,cTbTaCmp第25頁(yè)/共72頁(yè)第二十六頁(yè)，共73頁(yè)。第26頁(yè)/共72頁(yè)第二十七頁(yè)，共73頁(yè)。固態(tài)固態(tài)(gti)的多型性轉(zhuǎn)變，如珠光體轉(zhuǎn)變、鐵的的多型性轉(zhuǎn)變，如珠光體轉(zhuǎn)變、鐵的轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶轉(zhuǎn)變等同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶轉(zhuǎn)變等第27頁(yè)/共72頁(yè)第二十八頁(yè)，共73頁(yè)。劇，與此對(duì)應(yīng)的熱容值達(dá)到最大值。轉(zhuǎn)變的熱效應(yīng)相當(dāng)于圖中陰影部位。磁性轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序有序無(wú)序(w x)轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等第28頁(yè)/共7

10、2頁(yè)第二十九頁(yè)，共73頁(yè)。第29頁(yè)/共72頁(yè)第三十頁(yè)，共73頁(yè)。料的熱膨脹性能2.1 熱膨脹的表征熱膨脹的表征(bio zhn)及工程及工程意義意義第30頁(yè)/共72頁(yè)第三十一頁(yè)，共73頁(yè)。tlll0)1 (00tlllllt實(shí)際上，固體材料的并不是一個(gè)常數(shù)，通常實(shí)際上，固體材料的并不是一個(gè)常數(shù)，通常(tngchng)隨溫度升高而加大。隨溫度升高而加大。第31頁(yè)/共72頁(yè)第三十二頁(yè)，共73頁(yè)。tllttllll00001)()(1第32頁(yè)/共72頁(yè)第三十三頁(yè)，共73頁(yè)。tVVV0)1 (00tVVVVVttVVttVVVV00001)()(1l 同理，單位體積(tj)的固體溫度升高1時(shí)的體積(t

11、j)變化量即為在溫度t時(shí)的體積(tj)膨脹系數(shù)l 在溫度t時(shí)的體積(tj)為l 平均體積(tj)膨脹系數(shù)為第33頁(yè)/共72頁(yè)第三十四頁(yè)，共73頁(yè)。第34頁(yè)/共72頁(yè)第三十五頁(yè)，共73頁(yè)。第35頁(yè)/共72頁(yè)第三十六頁(yè)，共73頁(yè)。位置振動(dòng)。n如果每個(gè)原子的平均位置不隨溫度變化，物體就不會(huì)隨著溫度升高而發(fā)生膨脹了。第36頁(yè)/共72頁(yè)第三十七頁(yè)，共73頁(yè)。假設(shè)b原子固定不動(dòng)，a原子以a點(diǎn)為中心振動(dòng)。當(dāng)溫度由T1升高到T2時(shí)，振幅增大。同時(shí)(tngsh)振動(dòng)中心a向右側(cè)偏移，原子間距增大，產(chǎn)生膨脹。第37頁(yè)/共72頁(yè)第三十八頁(yè)，共73頁(yè)。一對(duì)相鄰原子，之間存在著作用力：異性電荷的庫(kù)侖引力同性電荷的庫(kù)侖斥力與泡利不相容原理所引起的斥力。吸力和斥力都和原子之間的距離有關(guān)。斥力隨著原子間距的變化比引力大，所以合力的曲線在平衡位置兩側(cè)不對(duì)稱。r0處，吸力=斥力rr0時(shí)，斥力降低的更厲害，所以合力為引力，兩原子互相(h xing)吸引。rCv。化合物分子熱容等于