物性講義(熱學1)

材料的熱學性能晶格振動熱容熱膨脹熱傳導熱穩(wěn)定性升華熔化晶格振動：材料中各原子在平衡位置的微小振動。格波：晶格振動以波的形式在晶格中傳播。1材料的熱容熱容是質點熱運動的的能量隨溫度變化的一個物理量，是物體溫度升高1K所需要增加的熱量?！綣/K】將1g質量的物體溫度升高1K所需要增加的熱量稱為物質的比熱容，簡稱比熱。1mol物質的熱容，稱為摩爾熱容。平均熱容：工程應用中應注意適用溫度范圍物質的熱容與其熱過程有關：恒壓熱容：恒容熱容：Q：熱量E：內能H：焓2根據熱力學第二定律可以導出：：體膨脹系數V0：摩爾容積：壓縮系數對于物質的凝聚態(tài)，Cp、Cv相差很小，但高溫時有較大的差別。3在極低或極高溫度下，自由電子對熱容的貢獻變得突出。4熱容的經驗定律與經典理論元素的熱容定律（杜?。晏娑桑?/p>

恒壓下，元素的摩爾熱容為25J/(K?mol)元素HBCOFSiPSClCpJ/(K?mol)9.611.37.516.720.915.922.522.520.4輕元素例外：Dulong－Petit化合物的熱容定律（奈曼－考普定律）：Neumann－Kopp可應用于多相混合組織、固溶體或化合物，但不適于低溫條件或鐵磁性合金。p、q為摩爾百分數5經典熱容理論：將氣體分子的熱容理論直接用于固體，其基本假設：晶體格點是孤立的，根據經典統(tǒng)計理論，其能量是連續(xù)的。因此固體中一個原子在空間有三個振動自由度，每個自由度上的平均動能和位能均為模型過于簡單，不能解釋低溫下熱容減小的現(xiàn)象。6熱容的量子理論7愛因斯坦熱容理論假設：每個原子皆為一個獨立的振子，原子之間彼此無關，并且i

=。愛因斯坦比熱函數愛因斯坦溫度8該理論的不足之處9德拜熱容理論考慮晶體中點陣的相互作用，將格波看成是彈性波。每個諧振子的頻率不同，頻率范圍從0到m。德拜溫度：元素NaTiAlMn金剛石D（K）1584204284502230一些物質的德拜溫度10該理論的不足之處1112材料的熱膨脹物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。平均線膨脹系數：平均體積膨脹系數：對于立方晶系：13一般固體材料：

在10-2～10-5/K數量級一般金屬、陶瓷材料：

在10-5～10-6/K數量級例：高壓鈉燈陶瓷、金屬封接：14膨脹合金在儀器、儀表及電真空技術中，要求應用具有特殊膨脹系數的合金，這些合金統(tǒng)稱為膨脹合金。膨脹合金是精密合金中的一大類。按膨脹系數大小可分為：如：4J36（含Ni36wt%的Fe-Ni合金）（2）定膨脹合金（可伐合金）（3）高膨脹合金（1）低膨脹合金（因瓦合金）與低膨脹合金組成熱雙金屬片使用如：4J75（Mn75Ni15Cu10）15161718熱膨脹的物理本質固體材料的熱膨脹本質，歸結為點陣結構中質點間平均距離隨溫度升高而增大。對于簡諧振動，位能曲線對稱，升高溫度只能增大振幅，并不會改變平衡位置，因此質點間的平均距離不會因溫度升高而改變。對于非簡諧振動，位能曲線不對稱，質點向外振動的距離大于向內振動的距離，隨著溫度升高，動能增大，振動激烈，質點間的平均距離不斷增大，形成宏觀的熱膨脹現(xiàn)象。19r<r0時，合力曲線的斜率較大；r>r0時，合力曲線的斜率較小。r<r0時，斥力隨位移增大得很快；r>r0時，引力隨位移的增大較慢。兩側受力不對稱，使得平衡位置右移，相鄰質點間距離增加，晶體膨脹。20弗蘭克爾雙原子模型在r=r0處臺勞展開：取前兩項，為對稱的勢能曲線。須取前三項，才能解釋熱膨脹現(xiàn)象。根據玻爾茲曼統(tǒng)計：21熱膨脹系數與其它物理量之間的關系（1）膨脹系數與比熱的關系格留涅申（Grüneisen）從晶格振動理論推導出：r：格留涅申常數，取值1.5～2.5之間K：體積彈性模量V：比容22（2）膨脹系數與熔點的關系經驗公式：格留涅申提出了關于固態(tài)的體熱膨脹極限方程：一般純金屬，溫度由0K加熱到熔點Ts，膨脹為6%。n=1.17A=7.2410-2（金屬）23（3）膨脹系數與德拜溫度的關系M：原子量V：原子體積表征原子間結合力的物理量如E、TS、D都與有關。E、TS、D都愈高，愈低。24（4）膨脹系數與硬度的關系（5）膨脹系數與比容的關系膨脹系數與比容成反比。一般，硬度越高，膨脹系數越小。元素AlCuNiCo-FeCr20～100℃106(/K)23.617.013.412.411.56.2HV~20~90~110~120~120~130一些純金屬的膨脹系數及硬度25（6）膨脹系數與導熱系數的關系26影響熱膨脹系數的因素成分與相變對膨脹系數的影響晶體缺陷對熱膨脹的影響晶體各向異性對熱膨脹的影響工藝因素對膨脹系數的影響溫度對膨脹系數的影響27282930熱膨脹的反?，F(xiàn)象絕大多數材料的熱膨脹系數隨溫度T變化的規(guī)律：隨T升高，先快速增加（～T3），然后緩慢增加以至近于恒值，此種情況稱為正常熱膨脹。對于鐵磁性金屬和合金如鐵、鈷、鎳及其某些合金，膨脹系數隨溫度的變化不符合一般的正常熱膨脹規(guī)律，而是在正常的膨脹曲線上出現(xiàn)附加的膨脹峰，稱為反常熱膨脹。鎳、鈷的膨脹峰向上為正，稱為正反常。鐵的膨脹峰向下為負，稱為負反常。31具有負反常膨脹特性的合金，膨脹系數可低到接近于零（甚至可達負值），或在一定溫度范圍內膨脹系數基本不變，在工業(yè)上有重大意義。反膨脹現(xiàn)象最早是1897年吉羅姆（Guillaume）在具有面心立方晶型的Ni35-Fe（at%）合金中發(fā)現(xiàn)。室溫時=1.210-6/K將固體材料的這種膨脹系數很小或為負值的現(xiàn)象，稱為熱膨脹反常，或稱因瓦（Invar）反常。將膨脹系數很小或趨于零或為負值的合金材料，稱為因瓦合金。因瓦合金：1920年諾貝爾物理獎Invariant32將與因瓦反常相關聯(lián)的其它物理特性的反常行為統(tǒng)稱為因瓦效應。主要有：磁學性能、電阻、低溫比熱、彈性常數、超聲波吸收等反常行為。33為何出現(xiàn)因瓦反常每種合金值的急劇增大發(fā)生在不同的溫度（該溫度稱為彎曲點），與合金的居里點有關?？蓮奈镔|的磁致伸縮行為去解釋。對于因瓦合金，認為是在正常熱膨脹過程中疊加了磁致伸縮引起的負膨脹。居里點以上，鐵磁性物質轉變?yōu)轫槾判?，磁致伸縮引起的負膨脹因素消失，只有正常的熱膨脹，膨脹系數增大到正常值。換言之，在低溫狀態(tài)時，由于合金的磁性使晶體的點陣常數撐大；溫度升高時，由于磁矩的下降，消弱了原子間因磁性引起的擴張，使點陣常數縮小。這個量和晶體點陣常數因溫度升高時的正常熱膨脹同時發(fā)生，互相抵消，因而使測得的熱膨脹減小，甚至出現(xiàn)負值。34因瓦效應的規(guī)律36%（1）因瓦效應與合金的成分有關幾乎所有的因瓦合金其顯著的因瓦特性都出現(xiàn)在十分接近于面心與體心相界的很窄的成分范圍內。（2）因瓦效應與開始出現(xiàn)鐵磁性密切相關相邊界居里點以下時，幾乎不變；在居里點以上時，急劇增加。35研制膨脹合金的指導原則（1）高磁矩低居里點是尋求因瓦合金的出發(fā)點；（2）添加合金元素提高居里點，以滿足不同的封接要求，制成各類定膨脹合金；（3）高熔點金屬也可作封接材料。36材料的導熱性熱導率（導熱系數）的定義：：熱能Q從高溫端T1傳遞到低溫端T2所需要的時間：熱導率（導熱系數）在給定溫度T下：傅里葉（Fourier）定律負號表示熱流方向與溫度梯度的方向相反【W/(m?K)或J/(m?s?K)】導熱系數的物理意義：在單位溫度梯度下，單位時間內通過單位截面積的熱量。37導熱系數反映了物質的導熱能力。不同物質，差異很大。金屬50～415W/(m?K)合金12～120W/(m?K)非金屬液體0.17～0.7W/(m?K)絕熱材料0.03～0.17W/(m?K)大氣壓下氣體0.007～0.17W/(m?K)38熱擴散率（導溫系數）的定義：a：導溫系數d：密度c：比熱在導熱過程中，導溫系數標志著溫度變化的速度。在相同的加熱或冷卻條件下，a愈大，則物體內各處溫度差愈小。：熱膨脹系數E：彈性模量：應力鋼件淬火時產生的熱應力：39熱傳導的微觀機理e：電子熱導率，來源于自由電子的貢獻：i：離子熱導率