材料物理性能本熱學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料材料(cilio)物理性能本熱物理性能本熱第一頁(yè)，共44頁(yè)。 2/201TkTkBBVVBBmedeTkkTEC只要求出角頻率的分布函數(shù)(hnsh)（），就可以從理論上求出熱容 。00)(1)(exp)(EdkTqqE第1頁(yè)/共43頁(yè)第二頁(yè)，共44頁(yè)。第2頁(yè)/共43頁(yè)第三頁(yè)，共44頁(yè)。定義(dngy)德拜溫度 ，和在熱容計(jì)算中取的最大頻率m關(guān)系為：DDBmk第3頁(yè)/共43頁(yè)第四頁(yè)，共44頁(yè)。TxxDVDedxxeTNkC/024319德拜熱容特點(diǎn)： 當(dāng)x1時(shí)，熱容趨于經(jīng)典極限(jxin)3R在極低溫度下，熱容和溫度T3成比例 德拜模型得到德拜模型得到(d do)的計(jì)算熱容的公式的計(jì)

2、算熱容的公式DBmkkTx第4頁(yè)/共43頁(yè)第五頁(yè)，共44頁(yè)。Debye constant-volume molar heat capacity curve. The dependence of the molar heat capacity Cm on temperature with respect to the Debye temperature: Cm vs. T/TD. 例： Si, TD = 625 K so that at room temperature (300 K), T/TD = 0.48 and Cm is only 0.81*3R.TTxxDBVDedxxeTTNkC/

3、024319第5頁(yè)/共43頁(yè)第六頁(yè)，共44頁(yè)。第6頁(yè)/共43頁(yè)第七頁(yè)，共44頁(yè)。FBBBvTTkNEfTkNkTE232)(02Cve=N 自由電子對(duì)熱容(r rn)的貢獻(xiàn) 第7頁(yè)/共43頁(yè)第八頁(yè)，共44頁(yè)。9increasing cp PolymersPolypropylene Polyethylene Polystyrene Tefloncp (J/kg-K)at room T CeramicsMagnesia (MgO)Alumina (Al2O3)Glass MetalsAluminum Steel Tungsten Gold1925 1850 1170 1050900 486 138

4、 128cp (specific heat): (J/kg-K)Material940 775 840Cp (heat capacity): (J/mol-K)特氟隆聚苯乙烯聚合物第8頁(yè)/共43頁(yè)第九頁(yè)，共44頁(yè)。3/2137MVTmD3。金屬材料的熱容(r rn)電子的熱容(r rn)+晶體振動(dòng)熱容(r rn)第9頁(yè)/共43頁(yè)第十頁(yè)，共44頁(yè)。在發(fā)生磁相變的居里溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)，熱容出現(xiàn)(chxin)極大值，磁相變屬于二級(jí)相變。而在從相到相，從相到相轉(zhuǎn)變時(shí)熱容都為無(wú)限大值，這二個(gè)相變的都是一級(jí)相變。 第10頁(yè)/共43頁(yè)第十一頁(yè)，共44頁(yè)。12112121TTlllaTT第11頁(yè)/共43頁(yè)第十二頁(yè)，

5、共44頁(yè)。原子間相互作用勢(shì)能(shnng)中存在非間諧項(xiàng)（3次和高次項(xiàng)）。 2221)(21)(11)()(aadrUddrdUaUrUnannadrUdndrUd)(1.)(3113331聲子之間的碰撞(pn zhun)造成的。第12頁(yè)/共43頁(yè)第十三頁(yè)，共44頁(yè)。14 Q: Why does a a generally decrease with increasing bond energy?Polypropylene145-180 Polyethylene 106-198 Polystyrene 90-150 Teflon126-216 Polymers CeramicsMagnesia

6、 (MgO)13.5Alumina (Al2O3)7.6Soda-lime glass 9Silica (cryst. SiO2)0.4 MetalsAluminum 23.6Steel 12 Tungsten 4.5 Gold14.2a (10-6/C)at room TMaterialSelected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.Polymers have larger a a values because of weak secondary bondsincreasing a 第13頁(yè)/共43頁(yè)第十四頁(yè)，共44

7、頁(yè)。CTanmlVKrCVV0a第14頁(yè)/共43頁(yè)第十五頁(yè)，共44頁(yè)。注意(zh y)單位！第15頁(yè)/共43頁(yè)第十六頁(yè)，共44頁(yè)。第16頁(yè)/共43頁(yè)第十七頁(yè)，共44頁(yè)。正常(zhngchng)熱膨脹熱膨脹反常(fnchng)第17頁(yè)/共43頁(yè)第十八頁(yè)，共44頁(yè)。tSdxdTQ22xTctTP熱量傳遞有三種(sn zhn)基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象可以用傅立葉(Fourier)定律來(lái)描述。第18頁(yè)/共43頁(yè)第十九頁(yè)，共44頁(yè)。是熱導(dǎo)率，單位是W/(m.K) ，是單位時(shí)間t內(nèi)、通過(guò)單位面積的熱量Q， 越大，導(dǎo)熱(dor)能力越好。tSdxdTQ第19頁(yè)/共43頁(yè)第二十頁(yè)，共44頁(yè)。

8、定義= 為熱擴(kuò)散率，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。要計(jì)算出經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間才能(cinng)使工件達(dá)到某一預(yù)定的均勻溫度，就需知道熱擴(kuò)散率。 22xTctTPPc第20頁(yè)/共43頁(yè)第二十一頁(yè)，共44頁(yè)。22increasing k PolymersPolypropylene0.12Polyethylene 0.46-0.50 Polystyrene 0.13 Teflon0.25vibration/rotation of chain molecules CeramicsMagnesia (MgO)38Alumina (Al2O3)39 Soda-lime glass

9、1.7 Silica (cryst. SiO2)1.4atomic vibrations MetalsAluminum 247Steel 52 Tungsten 178 Gold315atomic vibrations and motion of free electronsk (W/m-K)Energy TransferMechanismMaterialSelected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.第21頁(yè)/共43頁(yè)第二十二頁(yè)，共44頁(yè)。(1)自由電子金屬熱傳導(dǎo)主要由自由電子導(dǎo)熱貢獻(xiàn)，其規(guī)律(gul)：在室溫時(shí)，金

10、屬的熱導(dǎo)率和其電導(dǎo)率的比值是一個(gè)常數(shù)，不隨金屬不同而改變: 溫度升高時(shí)，金屬的熱傳導(dǎo)受到2個(gè)因素的影響：（1）自由電子的能量增加，晶格振動(dòng)的貢獻(xiàn)增加；（2）自由電子遭受了更大的散射，遷移率下降。LT電子導(dǎo)電(dodin)導(dǎo)熱貢獻(xiàn)第22頁(yè)/共43頁(yè)第二十三頁(yè)，共44頁(yè)。在上述2個(gè)作用相反的因素作用下，不同的金屬有非常不一樣的熱導(dǎo)行為:例如鐵，熱導(dǎo)開(kāi)始隨溫度升高而下降，（由于(yuy)遷移率下降），然后輕微增加。（由于(yuy)晶格振動(dòng)）而Pt的熱導(dǎo)隨溫度升高增加。第23頁(yè)/共43頁(yè)第二十四頁(yè)，共44頁(yè)。(2)聲子碰撞(pn zhun)第24頁(yè)/共43頁(yè)第二十五頁(yè)，共44頁(yè)。dxdTQ在晶體(jn

11、gt)中距離相差l的兩個(gè)區(qū)域間的溫度差T： Q=(CVT)VxldxdTT聲子移動(dòng)l后，把熱量CVT從距離(jl)l的一端攜帶到另一端。若聲子在晶體中沿x方向的移動(dòng)速率為Vx，則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量Q為：dxdTlQxvvC lVx用代表聲子兩次碰撞間相隔的時(shí)間： dxdTQ2xvvC 2231vvx由能量均分定理可知：dxdTlQvC31 vl vCv31第25頁(yè)/共43頁(yè)第二十六頁(yè)，共44頁(yè)。l vCv31由于缺乏自由電子的貢獻(xiàn)，大多數(shù)陶瓷的熱導(dǎo)主要依靠(yko)晶格振動(dòng)，其導(dǎo)熱率低于金屬。第26頁(yè)/共43頁(yè)第二十七頁(yè)，共44頁(yè)。28 Occur due to: - restrai

12、ned thermal expansion/contraction - temperature gradients that lead to differential dimensional changesTETTEfaa)(0Thermal stress彈性模量(tn xn m lin), 伸長(zhǎng)第27頁(yè)/共43頁(yè)第二十八頁(yè)，共44頁(yè)。 - A brass(黃銅(hun tn) rod is stress-free at room temperature (20C). - It is heated up, but prevented from lengthening. - At what te

13、mperature does the stress reach -172 MPa?T0 0Solution:Original conditions room thermal a(TfT0)TfStep 1: Assume unconstrained thermal expansion 0 Step 2: Compress specimen back to original length 0 compressroom thermal 29第28頁(yè)/共43頁(yè)第二十九頁(yè)，共44頁(yè)。30 0The thermal stress can be directly calculated as E(compr

14、ess) E(thermal) Ea(TfT0) Ea(T0Tf)Noting that compress = -thermal and substituting gives20 x 10-6/CAnswer: 106C100 GPa TfT0Ea20CRearranging and solving for Tf gives-172 MPa (since in compression)第29頁(yè)/共43頁(yè)第三十頁(yè)，共44頁(yè)。第30頁(yè)/共43頁(yè)第三十一頁(yè)，共44頁(yè)。第31頁(yè)/共43頁(yè)第三十二頁(yè)，共44頁(yè)。第32頁(yè)/共43頁(yè)第三十三頁(yè)，共44頁(yè)。第33頁(yè)/共43頁(yè)第三十四頁(yè)，共44頁(yè)。第34頁(yè)/共4

15、3頁(yè)第三十五頁(yè)，共44頁(yè)。第35頁(yè)/共43頁(yè)第三十六頁(yè)，共44頁(yè)。第36頁(yè)/共43頁(yè)第三十七頁(yè)，共44頁(yè)。第37頁(yè)/共43頁(yè)第三十八頁(yè)，共44頁(yè)。R-D%:相對(duì)密度(md)；CTEs:膨脹系數(shù)*10-6第38頁(yè)/共43頁(yè)第三十九頁(yè)，共44頁(yè)。第39頁(yè)/共43頁(yè)第四十頁(yè)，共44頁(yè)。第40頁(yè)/共43頁(yè)第四十一頁(yè)，共44頁(yè)。第41頁(yè)/共43頁(yè)第四十二頁(yè)，共44頁(yè)。熱傳導(dǎo)機(jī)理熱傳導(dǎo)機(jī)理 氣體：溫度不同的相鄰氣體：溫度不同的相鄰(xin ln)(xin ln)分子相互碰撞，造成熱量分子相互碰撞，造成熱量傳遞。傳遞。 液體：分子間作用力較強(qiáng)，由相鄰液體：分子間作用力較強(qiáng)，由相鄰(xin ln)(xin ln)分子振動(dòng)導(dǎo)致分子振動(dòng)導(dǎo)致熱傳遞。熱傳遞。 固體：相鄰固體：相鄰(xin ln)(xin ln)分子的碰撞或電子的遷移。分子的碰撞或電子的遷移。 基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律 （1 1）溫度場(chǎng)）溫度場(chǎng) 所研究的具有