材料物理性能 熱2.ppt

1、二、熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論,熱容的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律 元素?zé)崛菀?guī)律 化合物熱容規(guī)律 熱容的經(jīng)典理論-量子力學(xué)理論 愛因斯坦模型 德拜模型,1. 杜隆-珀蒂定律,1819年法國科學(xué)家杜隆和珀蒂測定了多單質(zhì)的比熱容之后，發(fā)現(xiàn)：大部分固態(tài)單質(zhì)的比熱容與原子量的乘積幾乎都等。 既恒壓下元素的原子熱容等于24.91J(K mol),杜隆 Dulong,Pierre Louis,珀蒂 Petit,評(píng)價(jià),杜隆珀蒂定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。 但在低溫時(shí)，CVm的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)恒量，它隨溫度降低而減小，在接近絕對零度時(shí)，熱容值按T3的規(guī)律趨于零。 對于低溫下熱容減小的現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論很好的進(jìn)行解釋。,評(píng)價(jià)：,杜

2、隆簡介,杜?。―ulong,Pierre Louis），1785年1838年，法國化學(xué)家。 杜隆原是一位醫(yī)生，他認(rèn)為免費(fèi)施藥是他的本分，對窮苦人他連診費(fèi)也不收。這樣，他這個(gè)醫(yī)生當(dāng)然無法維持下去。 他同樣是一個(gè)富有獻(xiàn)身精神的化學(xué)家。開始時(shí)他給貝托萊當(dāng)助手，為購置實(shí)驗(yàn)設(shè)備花光了家當(dāng)。1811年，他發(fā)現(xiàn)了三氯化氮（非常不穩(wěn)定的烈性炸藥）。在研究時(shí)發(fā)生了兩次爆炸，炸瞎了他的一只眼睛，還炸壞了他的一只手，但他還是繼續(xù)研究下去。 杜隆最重要的工作是和物理學(xué)家珀蒂合作研究熱學(xué)。1818年，他們指出：一個(gè)元素的比熱和它的原子量存在著相逆的關(guān)系。因此，如果測得一個(gè)新元素的比熱（測定比熱比較容易）就可以粗略地求得

3、它的原子量（直接測定原子量比較困難）。杜隆-珀蒂定律在測定原子量方面中非常有用。 1826年，杜隆被選為英國皇家學(xué)會(huì)的外國會(huì)員。,量子力學(xué)的創(chuàng)始人-普朗克,1858年-1947年，德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)最重要的物理學(xué)家之一。 因發(fā)現(xiàn)能量量子而對物理學(xué)的進(jìn)展做出了重要貢獻(xiàn)，并在1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 量子力學(xué)的發(fā)展被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)展，其重要性可以同愛因斯坦的相對論相媲美。,量子理論,普朗克認(rèn)為：質(zhì)點(diǎn)做熱振動(dòng)時(shí)，動(dòng)能有大有小，即使是同一粒子，其能量有時(shí)大有時(shí)小，但是無論如何，都以量子化的，都以hv為最小單位. 所以各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的能量只能是： 0，hv，2hv，3

4、hv，4hv，5hv，6hv，nhv。 n=0,1,2,3,4，. n為量子數(shù),式中, 普朗克常數(shù)， 普朗克常數(shù)， = 角頻率。,2. 愛因斯坦量子熱容模型,1879-1955年，出生于德國 愛因斯坦提出的假設(shè)：每個(gè)原子都是一個(gè)獨(dú)立的振子，原子之間彼此無關(guān)，并且都是以相同的角頻率w振動(dòng)。 注意：這個(gè)假設(shè)是錯(cuò)誤的。 因?yàn)椴皇仟?dú)立，而是互相關(guān)聯(lián)的。,愛因斯坦(1921),溫度為T，振動(dòng)頻率為v的諧振子平均能量為： 一摩爾晶體有NA個(gè)原子，每個(gè)原子有3個(gè)自由度，共有3 NA 個(gè)自由度，每個(gè)自由度相當(dāng)于有一個(gè)諧振子在振動(dòng)：晶體振動(dòng)的平均能量為：,討論： （1）晶體處于較高溫度時(shí)，kThv, hv/kT

5、kT，則有： 實(shí)驗(yàn)表明：在低溫時(shí)，熱容和T3成正比，上式比實(shí)驗(yàn)值更快的趨于0.,局限： 愛因斯坦模型忽略了每個(gè)原子與它鄰近的原子之間的聯(lián)系，而這一點(diǎn)在極低溫度下是十分明顯和重要的。 愛因斯坦模型假定所有原子振動(dòng)的頻率相同，過于簡化。,E,德拜（Peter J.W. Debye）,德拜（18841966）荷蘭裔美籍。世界著名的物理學(xué)家和化學(xué)家。 1910年在慕尼黑大學(xué)獲博士學(xué)位。 1946年入美國籍。 早期從事固體物理的研究工作。 1912年改進(jìn)了愛因斯坦的固體比熱容公式，提出了分子的偶極矩公式。 他對偶極矩、X射線和氣體中光散射的研究，于1936年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 他還辛勤培養(yǎng)學(xué)生，在學(xué)生中L

6、C鮑林和L翁薩格先后獲諾貝爾獎(jiǎng),3. 德拜比熱模型,基本觀點(diǎn)：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。 由于晶格中對熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動(dòng)，聲頻波的波長遠(yuǎn)大于晶體的晶格常數(shù)，可以把晶體近似看成連續(xù)介質(zhì)。,為頻率態(tài)密度,式中， 為德拜特征溫度，,（1）當(dāng)溫度較高時(shí)，即， ， 即杜隆珀蒂定律。 （2）當(dāng)溫度很低時(shí)，即 ，計(jì)算得 這表明當(dāng)T0時(shí)，CV與T3成正比并趨于0，這就是德拜T3定律，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，但是溫度越低，近似越差。,4. 材料的熱容,根據(jù)德拜熱容理論，在高于德拜溫度 時(shí)，Cv=24.91J/(K.mol) ; 低于 時(shí)，CVT3成正比; 不同材料 也不同。 例如， 石墨的

7、 =1973K， BeO的 =1173K， Al2O3的 =923K。 jc,材料的熱容,一些無機(jī)材料在不同溫度下的熱容,絕大多數(shù)氧化物、碳化物的熱容都從低溫時(shí)的一個(gè)低值增加到1273K左右的近似于3R，并保持不變。,德拜溫度 是反映固體的許多特性的重要標(biāo)志。 在熔點(diǎn)時(shí)，原子振幅達(dá)到使晶格破壞的數(shù)值， 和熔點(diǎn)Ts有：,林德曼公式,A：相對原子質(zhì)量，V：原子體積 物理意義：反映原子結(jié)合力物理量， 越高，其結(jié)合力越大,德拜溫度與林德曼公式,材料的熱容,.金屬和合金的熱容 1） 金屬的熱容 區(qū) CVT 區(qū) CVT3 區(qū) CV3R 對于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時(shí)有：,和為熱容系數(shù)，由低溫?zé)?/p>

8、容實(shí)驗(yàn)測得。,無機(jī)材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系是不大的。 CaO和SiO211的混合物與CaSiO3的熱容-溫度曲線部分溫度區(qū)間吻合。,1864年，化學(xué)家柯普（H.F.M.Kopp）將杜隆-珀蒂定律推廣到化合物，解釋了1832年紐曼（F.E.Neumann）的分子熱定律，即紐曼-柯普定律： 化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和。,5. 紐曼-柯普定律.,柯普（Hermann Kopp，18171892,德國）,合金的熱容,合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例相加而得，即 式中：X1， X2，, Xn分別是各組元的原子數(shù)目， C1， C2，, Cn分別為各組元的原子熱容。 思考：如

9、果X1， X2，, Xn分別是組元所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)， C1， C2，, Cn分別為各組元的比熱容，該式子還成立嗎？,相變對熱容和熱焓的影響,材料在發(fā)生相變時(shí)，形成新相的熱效應(yīng)大小與形成新相的形成熱有關(guān)。其一般規(guī)律是：以化合物相的形成熱最高，中間相形成熱居中，固溶體,焓、化學(xué)勢、熵、熱容隨溫度變化示意圖,形成熱最小。在化合物中以形成穩(wěn)定化合物的形成熱最高，反之形成熱低。根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)相變前后的變化，相變可以分為一級(jí)相變和二級(jí)相變。,熱力學(xué)分析已證明，發(fā)生一級(jí)相變時(shí)，除有體積突變外，還伴隨相變潛熱發(fā)生。由右圖 (a)可見一級(jí)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)變化的特點(diǎn)，即在相變溫度下，焓 (H)發(fā)生突變，熱容為無限大

10、。,一級(jí)相變,金屬熔化時(shí)，溫度和焓的關(guān)系如由右圖所示，在較低溫度時(shí)，隨溫度升高，熱量緩慢增加，其后逐漸加快，到某一溫度TM時(shí)，熱量的增加幾乎是直線上升。在高于這個(gè)溫度之后，所需熱量的增加又變得緩慢。TM為金屬熔點(diǎn)，在此溫度下金屬由固態(tài)變成液態(tài)，需要吸收部分熱量，這部分,熱量即為熔化熱。 如將液態(tài)金屬的焓變化曲線和固態(tài)金屬的焓變化曲線相比較，可發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬比固態(tài)(晶體)金屬的焓高，因此可以說液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)熱容大。,陶瓷材料發(fā)生一級(jí)相變時(shí)，材料的熱容會(huì)發(fā)生不連續(xù)突變，如右圖所示。,二級(jí)相變大都發(fā)生在一個(gè)有限的溫度范圍。發(fā)生二級(jí)相變時(shí)，其焓也發(fā)生變化，但不像一級(jí)相變那樣發(fā)生突變；其熱容在轉(zhuǎn)變溫

11、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、部分材料中的有序一無序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等。,右圖所示為CuCl2在24K時(shí)磁性轉(zhuǎn)變。,純鐵在加熱時(shí)也會(huì)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變?nèi)缬覉D中的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，對熱容的影響比較顯著。,熱分析方法,焓和熱容是研究合金相變過程中重要的參數(shù)。研究焓和溫度的關(guān)系，可以確定熱容的變化和相變潛熱。量熱和熱分析就是建立在熱測量及溫度測量基礎(chǔ)上的。熱容測量在物理學(xué)中測定的方法主要是量熱計(jì)法，在普通物理學(xué)中已介紹過。在金屬學(xué)研究中常用的主要是撒克司(Sykes)和史密斯(Smith)法。它們測定金屬比熱容是以電加熱為基礎(chǔ)。,現(xiàn)代常用的熱分析方法。在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度

12、關(guān)系的一種技術(shù)。根據(jù)國際熱分析協(xié)會(huì)(ICTA)的分類，熱分析方法共分為九類十七種，見下表所列。由表可知，它們是把溫度(或熱)測量與其他物理性質(zhì)測定結(jié)合起來的分析方法。,熱分析方法的分類,差熱分析（DTA）,簡介：試樣和參比樣品在相同的條件下加熱和冷卻，兩個(gè)樣品之間就存在一個(gè)溫差(特別是發(fā)生組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí))，DTA就是測量這種溫差隨溫度的變化。 參比樣品(標(biāo)準(zhǔn)樣品)要求： 穩(wěn)定，在試驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生組織結(jié)構(gòu)變化；其導(dǎo)熱、比熱容等物理性質(zhì)與試樣接近。 優(yōu)點(diǎn)：快速、樣品用量少、適用范圍廣。 缺點(diǎn)：但要進(jìn)行精確的定量分析困難。所用的實(shí)驗(yàn)儀器，升溫速率，氣氛，樣品用量，粒度等都會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所影響。

13、 DTA用于定性 ，半定量研究,典型的DTA曲線,典型DTA儀器構(gòu)成示意圖,示差掃描量熱法(DSC),簡介：加熱或冷卻過程中，通過調(diào)整試樣的加熱功率，使兩者之間的溫差為零。通過補(bǔ)償?shù)墓β士梢灾苯佑?jì)算熱流率。 所得到的曲線為熱流率dQ/dt與溫度的關(guān)系。 可定量分析。,典型的DSC曲線,DSC原理圖,2熱分析的應(yīng)用 通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒定 在陶瓷生產(chǎn)中可幫助確定各種原料配入量和制訂燒成制度 在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛的用途,材料的熱膨脹,材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì)

14、 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,熱膨脹系數(shù),溫度每平均升高1個(gè)單位，長度的相對變化量。,平均線膨脹系數(shù),微分線膨脹系數(shù),體膨脹系數(shù),各向同性,各向異性,部分材料的線性膨脹系數(shù),某些無機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)與溫度之間的關(guān)系,無機(jī)材料的線膨脹系數(shù) 一般都不大,熱膨脹系數(shù)的重要性,研究固態(tài)相變 儀表工業(yè) 多相多晶材料以及復(fù)合材料的選材 反映材料的熱穩(wěn)定性的重要參數(shù),材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,物理本質(zhì)（作用力曲線解釋）,原子熱振動(dòng)是非線性的！,溫度

15、升高，原子振動(dòng)激烈。,原子向右移動(dòng)的幅度更大一些， 導(dǎo)致振動(dòng)中心右移。,0 K時(shí)，原子處在平衡位置。,物理本質(zhì)（勢能曲線解釋）,勢能曲線不是對稱的！,0 K時(shí)，原子的勢能最低。,溫度升高，原子的勢能增加。,勢能曲線的不對稱，使振動(dòng) 中心右移。,熱膨脹機(jī)理 溫度升高，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅越大，相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加，以致物體膨脹。,Ep+Ek=C,材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,與其他物理性能的關(guān)系,體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似依賴關(guān)系。,1、與熱容的關(guān)系,格律乃森定律,Al2O3的熱容和膨脹系

16、數(shù)隨溫度的變化,金屬的結(jié)合力越大，熔點(diǎn)越高，其膨脹系數(shù)越小。,2、與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系,格律乃森極限方程,幾種材料的線膨脹系數(shù)、結(jié)合能與熔點(diǎn),3、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,對結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大。,而對無定形的玻璃，膨脹系數(shù)較小。,溫度升高時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變，也會(huì)引起膨脹系 數(shù)的改變。,ZrO2陶瓷的熱膨脹曲線,1000時(shí),單斜晶型,四方晶型,發(fā)生體積收縮 4 %,材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,影響熱膨脹性能的因素,相變的影響 成分和組織的影響 各向異性的影響,相變的影響,一級(jí)相變：體積突變，有相變潛

17、熱。 二級(jí)相變：無體積突變和相變潛熱； 但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。,直接用熱膨脹實(shí)驗(yàn)分析,用熱膨脹實(shí)驗(yàn)可以研究二級(jí)相變,二級(jí)相變,鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變 有序-無序轉(zhuǎn)變 鐵電-順電轉(zhuǎn)變,Fe：相 相,Cu-Au合金,影響熱膨脹性能的因素,相變的影響 成分和組織的影響 各向異性的影響,化學(xué)成分的影響,固溶體的熱膨脹系數(shù)略低于按直線規(guī)律計(jì)算的值。,Cu Au合金固溶體的膨脹系數(shù),0,20,40,60,80,100,rE / %,l,Cu Au合金 膨脹系數(shù),影響熱膨脹性能的因素,相變的影響 成分和組織的影響 各向異性的影響,兩相材料熱膨脹系數(shù)計(jì)算值的比較,多相合金體的膨脹系數(shù)主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量,

18、內(nèi)應(yīng)力抑制了熱膨脹,材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,熱膨脹的測量,光學(xué)膨脹儀 jc 電測試膨脹儀 機(jī)械式膨脹儀,光杠桿膨脹儀 光干涉法,電感式膨脹儀 電容式膨脹儀,千分表式膨脹儀 杠桿式膨脹儀,光杠桿式膨脹儀原理圖,光,底片,標(biāo)準(zhǔn)試樣,待測試樣,熱膨脹測試儀（德國耐馳公司）,測試原理： 將樣品放入爐體內(nèi)，施一定 溫度程序，此時(shí)樣品長度的變化 通過推桿傳遞到左側(cè)的檢測單元， 并由位移傳感器測量得到結(jié)果。,熱膨脹儀典型圖譜,材料的熱膨脹,熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹與其他物理性能的關(guān)系 影響熱

19、膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)的測量 熱膨脹的工程應(yīng)用,熱膨脹的工程應(yīng)用,1、熱膨脹的工程意義,陶瓷工業(yè),薄膜生長,航天器的設(shè)計(jì),金屬的表面改性,施釉技術(shù),釉層的膨脹系數(shù)比坯體要小,2、熱膨脹分析的應(yīng)用,膨脹分析對研究鋼在加熱、等溫、連續(xù)冷卻和回火 過程中的轉(zhuǎn)變非常有效。,確定鋼的組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn),研究加熱轉(zhuǎn)變,研究冷卻轉(zhuǎn)變,繪制TTT圖和CCT圖,小結(jié),熱膨脹系數(shù) 物理本質(zhì) 與其他物理性能的關(guān)系 影響因素 測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用,材料的熱學(xué)性能,熱容,熱膨脹,熱傳導(dǎo),熱傳導(dǎo)的應(yīng)用,材料的熱傳導(dǎo),宏觀定律 微觀物理機(jī)理 一般規(guī)律魏德曼-弗蘭茲定律 影響因素 熱導(dǎo)率的測量,基本概念和定律,溫度梯度

20、、熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）、熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）、熱阻； 穩(wěn)定傳熱過程、不穩(wěn)定傳熱過程；,材料的熱傳導(dǎo),固體材料在溫度梯度的作用下，熱量從熱端自動(dòng)傳向冷端。,材料的熱傳導(dǎo),穩(wěn)定傳熱過程,非穩(wěn)定傳熱過程,表征物體溫度變化的速率， 越大的材料各處溫度變化越快， 溫差越小，達(dá)到溫度一致的時(shí)間越短。,單位溫度梯度下，單位時(shí)間通過單位截面積的熱量。其倒數(shù) 稱為熱阻率。,熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率,熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）,熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）,一些材料的導(dǎo)熱系數(shù),材料的熱傳導(dǎo),宏觀定律 微觀物理機(jī)理 一般規(guī)律魏德曼-弗蘭茲定律 影響因素 熱導(dǎo)率的測量,熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制,氣體傳熱的機(jī)理是什么？,固體傳熱的機(jī)理是什么？,晶格振動(dòng)

21、熱量依靠什么進(jìn)行轉(zhuǎn)移和傳遞？,分子碰撞,晶格振動(dòng),自由電子運(yùn)動(dòng),格波,聲頻支,光頻支,kc,格波,固體的傳熱,聲子熱傳導(dǎo),光子熱傳導(dǎo),自由電子熱傳導(dǎo),聲頻支,光頻支,材料的傳熱機(jī)理,分子導(dǎo)熱機(jī)理,電子導(dǎo)熱機(jī)理,聲子導(dǎo)熱機(jī)理,光子導(dǎo)熱機(jī)理,氣體,金屬、半導(dǎo)體,金屬、半導(dǎo)體、絕緣體,固體高溫條件下,類似于氣體熱傳導(dǎo)是分子碰撞的結(jié)果，晶體熱 傳導(dǎo)是聲子碰撞的結(jié)果。,固體材料的導(dǎo)熱是電子、聲子和光子導(dǎo)熱共同 作用的結(jié)果，有,電子的導(dǎo)熱系數(shù),聲子的導(dǎo)熱系數(shù),角標(biāo)j表示不同載體類型的相應(yīng)物理量。,分子導(dǎo)熱機(jī)理,氣體分子相互作用或碰撞引起的結(jié)果。,自由電子導(dǎo)熱機(jī)理,自由電子間的相互作用或碰撞。,金屬中導(dǎo)熱的

22、主要機(jī)制,低溫下聲子導(dǎo)熱對金屬的貢獻(xiàn)將略有增大。,自由電子導(dǎo)熱與溫度的關(guān)系,O,T,金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線,總的,電子部分,很低溫度,中等溫度,很高溫度,隨溫度呈線性變化,不隨溫度變化而變化,隨溫度增加略有減小,聲子和聲子熱導(dǎo),聲子：晶格振動(dòng)的“量子”,聲子的運(yùn)動(dòng)：格波的傳播過程,熱傳導(dǎo)過程：聲子從高濃度區(qū)到低濃度區(qū)的擴(kuò)散過程。,熱阻：聲子擴(kuò)散過程中的各種散射。,聲子的平均自由程,影響因素：,格波間的相互作用,聲子與聲子之間的碰撞,缺陷、雜質(zhì)以及晶粒間的界面,聲子的振動(dòng)頻率,溫度,熱阻,取決于自由行程,l,T,l,光子導(dǎo)熱機(jī)理,固體中分子、原子、電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，會(huì)輻射出電磁

23、波，具有較強(qiáng) 熱效應(yīng)的電磁波波長在0.440m之間（相當(dāng) 于紅外、近紅外光區(qū)）。,熱傳導(dǎo)過程類似于光在介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象。,黑體輻射的能量：,則熱容為,于是，輻射導(dǎo)熱系數(shù),光子導(dǎo)熱的大小主要決定于它的自由程。,光子導(dǎo)熱的定性解釋,任何黑體都會(huì)輻射出能量，也會(huì)接受能量。溫度高的單元體中，放出的能量多，而吸收的能量少；而溫度低的單元體中，放出的能量少，而吸收的能量多。,結(jié)果，熱量從高溫處流向了低溫處。,黑體： 具有黑表面的物體，稱為絕對黑體，或簡稱黑體,光子的平均自由程,它的影響因素：,透明度,吸收和散射,氣孔率,光子的自由行程 是影響光子傳導(dǎo)的主要因素。,透明度,對輻射線透明者， 大，熱導(dǎo)大；,對

24、輻射線不透明者， 小，熱導(dǎo)??；,對輻射線完全不透明者， = 0，輻射傳熱就可忽略。,單晶、玻璃,陶瓷,773 1273 K,1773 K以上,吸收和散射,透明材料：吸收系數(shù)小，在幾百攝氏度時(shí)，光輻射為 主要傳熱形式；,不透明材料 : 吸收系數(shù)不大，即使在高溫下，光子 傳熱也不是重要的。,無機(jī)非金屬材料中，在1500 以上，光子傳導(dǎo)才是主要的。,氣孔率,材料中存在的氣孔能使光發(fā)生散射，引起光子 衰減，進(jìn)而導(dǎo)致光子的平均自由程和光子導(dǎo)熱系數(shù) 減小。,大多數(shù)陶瓷材料具有一定的氣孔率，其光子導(dǎo)熱系數(shù) 總是比玻璃和單晶體小得多，只有在1500以上的高溫， 其光子導(dǎo)熱過程才開始起重要作用。,材料的熱傳導(dǎo),

25、宏觀定律 微觀物理機(jī)理 一般規(guī)律魏德曼-弗蘭茲定律 影響因素 熱導(dǎo)率的測量,魏德曼-弗蘭茲定律,洛倫茲數(shù)L 在 T 0的溫度下近似為常數(shù)。低溫需修正。,意義：通過測定電導(dǎo)率來確定金屬熱導(dǎo)率。,在室溫下許多金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率之比幾乎相同， 且不隨金屬不同而改變。,材料的熱傳導(dǎo),宏觀定律 微觀物理機(jī)理 一般規(guī)律魏德曼-弗蘭茲定律 影響因素 熱導(dǎo)率的測量,熱導(dǎo)率的影響因素,溫度的影響 晶體結(jié)構(gòu)的影響 化學(xué)成分和雜質(zhì)的影響 分子量、密度和彈性模量 缺陷和顯微結(jié)構(gòu)的影響,溫度的影響,晶體,非晶體,晶體的導(dǎo)熱系數(shù),O,T,低溫時(shí)，隨溫度升高，l 值上升， 其上限為晶粒尺寸大??；,當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，隨溫

26、度 升高，l 值下降，其下限為幾個(gè) 晶格間距；,高溫時(shí)，隨溫度升高，l 值基本 上保持不變。,晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線的一般形式,氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度的變化,非晶體的導(dǎo)熱系數(shù),非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線,中低溫，主要是聲子導(dǎo)熱。 此時(shí)，溫度升高，熱容也升 高，故導(dǎo)熱系數(shù) 也升高。,中溫到較高溫度，熱容漸變 為常數(shù)，故導(dǎo)熱系數(shù) 接近 常數(shù)。,高溫，聲子導(dǎo)熱變化仍不大， 但光子的平均自由行程增大， 導(dǎo)熱系數(shù)緩慢升高。,晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線比較,非晶體的自由行程在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)變化不大。,晶體結(jié)構(gòu)的影響,晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)越低,多晶體和單晶體的影響不同,氣孔對導(dǎo)熱系數(shù)的影響,聲子或格波的散射加劇,多晶體的熱導(dǎo)率較低，隨溫度升高其與單晶的差異變大,氣孔率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小,結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響,單晶體和多晶體的熱導(dǎo)率變化情況,氣孔率對熱導(dǎo)率的影響,氣