材料科學(xué)與工程課件：Chapter-10 熱學(xué)性質(zhì)

1、熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義本章關(guān)心的內(nèi)容1.1.熱膨脹熱膨脹2.2.熱容量熱容量3.3.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 實(shí)際應(yīng)用：實(shí)際應(yīng)用： 熱雙金屬帶用作恒溫器的開關(guān)熱雙金屬帶用作恒溫器的開關(guān) 隔熱材料用于航天飛機(jī)和保護(hù)服裝隔熱材料用于航天飛機(jī)和保護(hù)服裝 抗熱沖擊炊具抗熱沖擊炊具 鋼化玻璃鋼化玻璃材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義1. 1. 聲子的粒子性聲子的粒子性光子光子-電磁波的能量量子。電磁波可以認(rèn)為是光子流，電磁波的能量量子。電磁波可以認(rèn)為是光子流，光子攜帶電磁波的能量和動(dòng)量。光子攜帶電磁波的能量和動(dòng)量。聲子聲子-聲子攜帶聲波的能量和動(dòng)量。若格波頻率為聲子攜帶聲波的能量和動(dòng)量。若格波頻率為 ，波矢波矢

2、q q為，則聲子的能量為為，則聲子的能量為 ，動(dòng)量為，動(dòng)量為q q。聲子和物質(zhì)相互作用服從能量和動(dòng)量守恒定律，如同具有能聲子和物質(zhì)相互作用服從能量和動(dòng)量守恒定律，如同具有能量量 和動(dòng)量和動(dòng)量 q q的粒子一樣。的粒子一樣。晶格振動(dòng)的量子化晶格振動(dòng)的量子化 -聲子聲子材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義可以將格波與物質(zhì)的互作用過程，理解為聲子和物質(zhì)的碰撞過程，可以將格波與物質(zhì)的互作用過程，理解為聲子和物質(zhì)的碰撞過程，使問題大大簡化，得出的結(jié)論也正確。如，電子、光子、聲子等。使問題大大簡化，得出的結(jié)論也正確。如，電子、光子、聲子等。準(zhǔn)粒子性的具體表現(xiàn)：聲子的動(dòng)量不確定，波矢改變一個(gè)周期準(zhǔn)粒子性的具體表現(xiàn)：聲子的

3、動(dòng)量不確定，波矢改變一個(gè)周期（倒格矢量）或倍數(shù)，代表同一振動(dòng)狀態(tài)，所以不是真正的動(dòng)量；（倒格矢量）或倍數(shù)，代表同一振動(dòng)狀態(tài)，所以不是真正的動(dòng)量；系統(tǒng)中聲子的數(shù)目一般用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，具有能量為系統(tǒng)中聲子的數(shù)目一般用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，具有能量為E Ei i的狀的狀態(tài)用出現(xiàn)的幾率來表示。態(tài)用出現(xiàn)的幾率來表示。2. 2. 聲子的準(zhǔn)粒子性聲子的準(zhǔn)粒子性3. 3. 聲子概念的意義聲子概念的意義材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義2 2 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)一般物質(zhì)具有熱脹冷縮性一般物質(zhì)具有熱脹冷縮性 負(fù)膨脹材料負(fù)膨脹材料 取向的高分子材料取向的高分子材料 ZrWZrW2 2O O8 8 Sc Sc2 2W W3 3

4、O O1212線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義熱膨脹的機(jī)理熱膨脹的機(jī)理 晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)-簡諧振動(dòng)簡諧振動(dòng)-溫度的升高不改變平衡位置溫度的升高不改變平衡位置-熱量轉(zhuǎn)變不會(huì)改變晶體的大小和形狀。（熱量轉(zhuǎn)變不會(huì)改變晶體的大小和形狀。（wrongwrong） 晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力時(shí)間上是非線性的。晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力時(shí)間上是非線性的。 鍵能曲線的非對(duì)稱性鍵能曲線的非對(duì)稱性 （次要因素（次要因素 晶體中的各種熱缺陷）晶體中的各種熱缺陷）材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義影響熱膨脹系數(shù)的因素 材料熱膨脹系數(shù)主要與其化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和鍵強(qiáng)度等材料熱膨脹系數(shù)主要與其化

5、學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和鍵強(qiáng)度等密切相關(guān)。密切相關(guān)。1.1.鍵強(qiáng)度高，鍵強(qiáng)度高， 熱膨脹系數(shù)低熱膨脹系數(shù)低2.2.通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而類似非晶態(tài)通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而類似非晶態(tài)玻璃那樣結(jié)構(gòu)比較松散的材料，則熱膨脹系數(shù)比較小。玻璃那樣結(jié)構(gòu)比較松散的材料，則熱膨脹系數(shù)比較小。材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義原子鍵特征對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響1.1.熱塑性高分子材料熱塑性高分子材料2.2.熱固性高分子材料熱固性高分子材料3.3.晶態(tài)材料中，金屬的熱膨脹系數(shù)最高晶態(tài)材料中，金屬的熱膨脹系數(shù)最高4.4.許多陶瓷晶體結(jié)構(gòu)的堆垛因子較低許多陶瓷晶體結(jié)構(gòu)的堆垛因子較低材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義熱膨脹系

6、數(shù)的測定以及應(yīng)用測量方法：光學(xué)膨脹儀法、電感式膨脹儀法、電容式膨脹儀法測量方法：光學(xué)膨脹儀法、電感式膨脹儀法、電容式膨脹儀法 應(yīng)用應(yīng)用 陶瓷上釉陶瓷上釉 電子管封接電子管封接 精密儀器儀表精密儀器儀表 膨脹分析在材料科學(xué)研究中膨脹分析在材料科學(xué)研究中材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義3 熱容熱容的標(biāo)準(zhǔn)定義是：熱容的標(biāo)準(zhǔn)定義是：“當(dāng)一系統(tǒng)由于加給一微小的熱量當(dāng)一系統(tǒng)由于加給一微小的熱量QQ而溫度升高而溫度升高dTdT時(shí)，時(shí)，QQ/ /dTdT 這個(gè)量即是熱容。這個(gè)量即是熱容?！保℅B3102.4-GB3102.4-9393） 1 1 經(jīng)典熱容理論經(jīng)典熱容理論 2 2 固體熱容的量子理論固體熱容的量子理論材料

7、科學(xué)與工程導(dǎo)論講義熱分析的應(yīng)用1.1.差熱分析（差熱分析（differential thermal analysis ,DTAdifferential thermal analysis ,DTA）2.2.差示掃描量熱法（差示掃描量熱法（differential scanning differential scanning calarmeutrycalarmeutry, DSC, DSC）3.3.熱重法熱重法( (themogrivimetrythemogrivimetry, TG), TG)材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義4 熱傳導(dǎo)機(jī)理熱量傳導(dǎo)的方向是從高溫區(qū)到低溫區(qū)。用來描述物質(zhì)傳送熱熱量傳導(dǎo)的方向是

8、從高溫區(qū)到低溫區(qū)。用來描述物質(zhì)傳送熱量能力的性能參量是熱導(dǎo)率。量能力的性能參量是熱導(dǎo)率。 xTKAtA1材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理材料的原子結(jié)構(gòu)與其傳熱能力之間的關(guān)系材料的原子結(jié)構(gòu)與其傳熱能力之間的關(guān)系熱量在物質(zhì)中通過兩種機(jī)制傳導(dǎo)：熱量在物質(zhì)中通過兩種機(jī)制傳導(dǎo)： 晶格振動(dòng)（聲子）晶格振動(dòng)（聲子） 自由電子移動(dòng)自由電子移動(dòng)這兩種機(jī)制主要依賴于材料電子能帶結(jié)構(gòu)的特征這兩種機(jī)制主要依賴于材料電子能帶結(jié)構(gòu)的特征 金金 屬屬 自由電子自由電子 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 聲子和自由電子聲子和自由電子 絕緣體絕緣體 聲子聲子材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義影響熱導(dǎo)率的因素?zé)彷d流子（聲子、電子、或者二者共存）的數(shù)量熱載流

9、子（聲子、電子、或者二者共存）的數(shù)量N N載流子的平均速度載流子的平均速度在被晶格散射之前，載流子的平均移動(dòng)距離。在被晶格散射之前，載流子的平均移動(dòng)距離。)(_iiiiNcKNK材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義溫度對(duì)K的影響材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義金屬、陶瓷、聚合物的熱導(dǎo)率1. 金屬金屬 大量的自由電子大量的自由電子 高熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率 電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系2. 2. 晶態(tài)陶瓷晶態(tài)陶瓷 聲子導(dǎo)熱機(jī)制，以下有利于提高熱導(dǎo)率聲子導(dǎo)熱機(jī)制，以下有利于提高熱導(dǎo)率 較開放的晶體結(jié)構(gòu)較開放的晶體結(jié)構(gòu) 簡單的晶體結(jié)構(gòu)簡單的晶體結(jié)構(gòu) 原子或者離子具有相同的尺寸和質(zhì)量原子或者離子具有相同的尺寸和質(zhì)量 非晶

10、態(tài)陶瓷材料的熱導(dǎo)率一般低于對(duì)應(yīng)的晶態(tài)材料。非晶態(tài)陶瓷材料的熱導(dǎo)率一般低于對(duì)應(yīng)的晶態(tài)材料。 原子尺度的晶體缺陷降低熱載流子的遷移率。原子尺度的晶體缺陷降低熱載流子的遷移率。材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義3 3 高分子材料具有相當(dāng)?shù)偷臒釋?dǎo)率。高分子材料具有相當(dāng)?shù)偷臒釋?dǎo)率。隔熱材料實(shí)例：隔熱材料實(shí)例： 聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料 多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義熱擴(kuò)散率在穩(wěn)態(tài)條件下，影響熱傳導(dǎo)的在穩(wěn)態(tài)條件下，影響熱傳導(dǎo)的-熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率在非穩(wěn)定態(tài)條件下熱擴(kuò)散率在非穩(wěn)定態(tài)條件下熱擴(kuò)散率22xTDtTth材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義5 熱應(yīng)力TEEthmth材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義6 應(yīng)用 1 1 雙金屬帶雙金屬帶材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義2 2 隔熱器隔熱器 低密度玻璃纖維基體隔熱材料低密度玻璃纖維基體隔熱材料 航天飛機(jī)航天飛機(jī) 陶瓷瓦片陶