第1-2講熱容精品課件

1、第1-2講熱容第1頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五熱容的基本概念熱容的實(shí)驗(yàn)規(guī)律熱容的基本理論(經(jīng)典、量子理論)1.2 影響熱容的因素1.1 固體的熱容溫度結(jié)構(gòu),相變合金元素,化合物1.3 熱容的測量原理與熱分析方法第一章 材料的熱學(xué)性能第2頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五基本概念:熱性能的物理本質(zhì)是什么？晶格熱振動：格波：聲頻支振動：光頻支振動：熱容：熱容Cp與Cv的關(guān)系：第3頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五基本概念熱性能的物理本質(zhì)：晶格熱振動晶格熱振動：晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子）圍著平衡位置作微小振動。格波：晶格振動

2、所形成的彈性波聲頻支振動：低頻率的格波。特點(diǎn)：相鄰質(zhì)點(diǎn)間位相差不大，類似于彈性體中的應(yīng)變波光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波，頻率在紅外光區(qū)，特點(diǎn)是鄰近質(zhì)點(diǎn)間位相差很大。熱容：使材料溫度升高1k所需的熱量熱容Cp與Cv的關(guān)系： Cp Cv第4頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五晶態(tài)固體熱容的基本規(guī)律熱容隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)規(guī)律： 高溫區(qū)：CV3R = 24.91 J/(mol.K); 低溫區(qū): CV T3; T 0 K時(shí), CV0.晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典定律： 杜隆-珀替定律：恒壓下元素的原子熱容Cv = 25 J/(molK) 奈曼-柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各原子

3、熱容之和晶態(tài)固體熱容的量子理論： 愛因斯坦模型 德拜模型第5頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五 愛因斯坦模型 德拜的比熱模型晶態(tài)固體熱容的量子理論第6頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五愛因斯坦模型愛因斯坦模型：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個(gè)振子都是獨(dú)立的振子。熱容的量子理論當(dāng)T E 時(shí): Cv = 3R振動的能量：En=n + 1/2 振子具有能量En = n的幾率： exp(- n/kBT)振子的平均能量： E() = ( ) / exp( /kBT) 1平均聲子數(shù):n=E ()/ = 1/ exp( /kBT) 1

4、第7頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五德拜模型認(rèn)為：晶體對熱容的貢獻(xiàn)主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動由于聲頻支的波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)，故可將晶體當(dāng)成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0max高于max的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻(xiàn)很小，可忽略德拜模型熱容的量子理論第8頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五德拜模型高溫時(shí)，T D，Cv = 3R低溫時(shí)，T D，有： Cv與T的立方成比例，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合 熱容的量子理論第9頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五材料熱容的實(shí)驗(yàn)規(guī)律不同材料D不同，D取決于材料的鍵 強(qiáng)度，彈性

5、模量和熔點(diǎn)。第10頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五物質(zhì)金剛石CaF2Al2O3FeCdPbD(k)2000475923470168100物質(zhì)BeMgCaTiZrWD(k)1440400230420291400物質(zhì)的德拜溫度D(k)第11頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五無機(jī)材料的熱容規(guī)律不同溫度下某些陶瓷材料的熱容無機(jī)材料有大致相同的比熱曲線。第12頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五 無機(jī)材料的熱容與材料的結(jié)構(gòu)無明顯的關(guān)系無機(jī)材料的熱容規(guī)律第13頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五影響無機(jī)材料熱容的因素：溫

6、度對熱容的影響：Cp = a + bT + cT-2 + 高于德拜溫度：熱容趨于常數(shù)， 低于德拜溫度時(shí)：與(T / D)3成正比。2. 鍵強(qiáng)、彈性模量、熔點(diǎn)的影響 德拜溫度約為熔點(diǎn)的0.20.5倍。3. 無機(jī)材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感. 相變時(shí)，由于熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時(shí)降低熱量損耗。根據(jù)熱容選材：第15頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五影響金屬熱容

7、的因素在低溫下幾乎所有的化合物,固溶體和中間相的熱容:CV =ClV + CeV = T3 + T在極低或極高溫度下,電子熱容的貢獻(xiàn)不可忽略.rE24CrMnVTiRh1. 自由電子對金屬材料熱容的貢獻(xiàn):Cr:3d54s1V: 3d34S2Ti:3d24s2Mn:3d54S2Fe:3d64S2Ni:3d84S2在Ni基體中加入46周期的金屬元素時(shí)， 的變化：第16頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五2. 合金成分對熱容的影響 合金的熱容是每個(gè)組元熱容與其質(zhì)量百分比的乘積之和。 即 C = x1C1 + x2C2 +xnCn。 _奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律 高溫

8、下該定律具有普遍性，適用于金屬化合物，金屬與非金屬化合物，中間相和固溶體。熱處理能改變合金的組織，但對合金高溫下的熱容沒有明顯影響。該定律對鐵磁合金不適用。第17頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五3. 相變時(shí)的金屬熱容變化（一）熔化和凝固：熔點(diǎn) Tm C液態(tài) C固態(tài)（二）一級相變：在恒溫恒壓下，除有體積變化外，H和Q發(fā)生突變，伴隨相變潛熱發(fā)生。Cp熱容無限大。如純金屬的三態(tài)變化，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，共晶，包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)的共析轉(zhuǎn)變等。（三） 二級相變：相變在一個(gè)有限的溫度范圍內(nèi)逐漸變化，焓也變化，但不突變。熱容在轉(zhuǎn)變溫度附近也有劇烈變化，但為有限值。這類相變包括磁性轉(zhuǎn)變，部分材料

9、的有序無序轉(zhuǎn)變（有人認(rèn)為部分轉(zhuǎn)變屬于一級相變），超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。第18頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變（四）亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時(shí)要放出熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線向下拐折（不可逆轉(zhuǎn)變, 如過飽和固溶體的時(shí)效，馬氏體和殘余奧氏體回火轉(zhuǎn)變，形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶等。）第19頁，共21頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)9分，星期五qMTM THCpKFf(a). 金屬熔化時(shí)焓與熱容隨溫度的變化CpT /600200(b). SiO2的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：一級相變 -石英與-石英轉(zhuǎn)變的熱容變化A2A3A4T /KCp(c). 鐵加熱時(shí)熱容的變化1000A2=768 CA3=910 CA4=1401 C第2