材料物理性能材料的热熔PPT学习教案.pptx

会计学 1材料(cilio)物理性能材料(cilio)的热熔第一页，共66页。第1页/共66页第二页，共66页。在空间(kngjin)科学技术中的应用 现代空间科学技术往往要求材料在变温条件，甚至在极端温度条件下工作。如空间飞行器从发射、入轨以后的轨道飞行直到再返回地球的过程中，要经受气动加热的各个阶段，都会遇到超高温和极低温的问题，必须要有“有效的隔热与防热措施”，这有赖于对其热过程进行(jnxng)热分析和热设计，导热系数、比热、导温系数、热发射率、热膨胀系数和粘度等则是热计算和热设计的关键参数，也是研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。第2页/共66页第三页，共66页。在能源在能源(nngyun)(nngyun)科学技术中的应用科学技术中的应用i)保温材料的优选和保温材料结构(jigu)的优化设计。ii)远红外加热技术(jsh)，以获得最佳的能量利用率。iii)太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。第3页/共66页第四页，共66页。在电子技术在电子技术(jsh)(jsh)和计算机技术和计算机技术(jsh)(jsh)中的应用中的应用i)在超大规模集成电路（容量(rngling)和密集度迅速增大）中，要求集成块的基底材料导热性能优良。ii)彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有机绝缘(juyun)片，为了散热而要求具有良好的热导性。第4页/共66页第五页，共66页。请思考(sko)n n 对于同等质量的砂子和水，砂子的升降温速度 对于同等质量的砂子和水，砂子的升降温速度(sd)(sd)比水要快一些 比水要快一些？如何衡量物体升降温的快慢？如何衡量物体升降温的快慢？n n 什么是热容？什么是热容？第5页/共66页第六页，共66页。什么(shn me)是热容？热容表示(biosh)的是一个物体容纳热量的能力，即吸收热能使之转化为内能的能力。我们常用水位升高一定高度需要多少水表征瓶子(png zi)的容量。第6页/共66页第七页，共66页。本章(bn zhn)内容n n 热容(r rn)n n 热膨胀n n 热传导n n 热稳定性第7页/共66页第八页，共66页。第一节 材料(cilio)的热容n n 人们对热的物理本质的认识 人们对热的物理本质的认识n n 热容 热容(r rn(r rn)、比热容、比热容(r rn(r rn)n n 晶态固体的热容 晶态固体的热容(r rn(r rn)n n 热容 热容(r rn(r rn)的影响因素 的影响因素n n 现代热分析技术及其应用 现代热分析技术及其应用无机(wj)材料金属材料第8页/共66页第九页，共66页。1.人们(rn men)对热的物理本质的认识n n 中国古代，金、木、水、火、土五行学说。中国古代，金、木、水、火、土五行学说。n n 西方 西方(xfng)18(xfng)18世纪以前，热质说，认为热是一种物 世纪以前，热质说，认为热是一种物质。质。n n 1798 1798年，伦福德、戴维等发现摩擦生热，彻底摧毁了 年，伦福德、戴维等发现摩擦生热，彻底摧毁了热质说。热质说。n n 19 19世纪，焦耳通过一系列实验证明了热是同大量分子 世纪，焦耳通过一系列实验证明了热是同大量分子的无规则运动相联系的。提出能量守恒定律，即热力 的无规则运动相联系的。提出能量守恒定律，即热力学第一定律。学第一定律。n n 1900 1900年，普朗克解释黑体辐射现象，提出热量是量子 年，普朗克解释黑体辐射现象，提出热量是量子化的。化的。n n 1912 1912年，能斯特提出了热力学第三定律，热学理论完 年，能斯特提出了热力学第三定律，热学理论完整地建立起来。整地建立起来。支持者：培根、拉瓦锡、拉普拉斯等。第9页/共66页第十页，共66页。热力学四大(s d)定律n n 第一(dy)定律：能量守恒定律n n n n 第二定律：熵增加定律 n n 第三定律：绝对温标 n n 第零定律：热平衡定律 迈尔、焦耳(jior)、亥姆霍兹克劳修斯、开尔文能斯特福勒第一类永动机不可能第二类永动机不可能第10页/共66页第十一页，共66页。12热力学第零定律(dngl)：1930年福勒等人提出热力学第零定律示意图内容:若两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于(chy)热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于(chy)热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。意义:热力学第零定律的重要性在于(ziy)它给出了温度的定义和温度的测量方法。第11页/共66页第十二页，共66页。热究竟(jijng)是什么？热量传递(chund)的三种方式：热传导热对流热辐射热本质上是能量的一种形式(xngsh)，是由分子的无规则运动引起的。第12页/共66页第十三页，共66页。热量(rling)传递的基本方式第13页/共66页第十四页，共66页。热的本质(bnzh)？n n 热是晶格（或组成材料的分子 热是晶格（或组成材料的分子(fnz(fnz)）振动的一种表现形式。）振动的一种表现形式。温度的高低衡量了晶格振动的剧烈程度。温度的高低衡量了晶格振动的剧烈程度。第14页/共66页第十五页，共66页。声子就是指格波的能量量子，它的能量等于 h。一个(y)格波，也就是一种振动模，称为一种声子。n n 晶格振动以弹性波（格波）的形式在材料内传播。晶格振动以弹性波（格波）的形式在材料内传播。n n 当温度不太高时，原子的振动可看作 当温度不太高时，原子的振动可看作(kn zu)“(kn zu)“谐振子 谐振子”。n n 能量为 能量为E n=（式中n=0,1,2,）第15页/共66页第十六页，共66页。声频(shn pn)支、光频支n 声频支：振动着的质点中包含频率低的格波，质点彼此(bc)之n 间的位相差不大。可以看成相邻原子具有相同的振动方向。n 光频支：格波中频率高的振动波，质点间的位相差很大，邻n 近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区。可以(ky)看成相n 邻原子具有相反的振动方向。声频支光频支格波中的两类：低频波与高频波。反映晶格原子的整体运动 反映晶格原子的相对运动 第16页/共66页第十七页，共66页。第一节 材料(cilio)的热容n n 人们对热的物理本质的认识 人们对热的物理本质的认识n n 热容、比热容 热容、比热容n n 晶态固体的热容 晶态固体的热容n n 热容的影响 热容的影响(y(y ngxi ngxi ng)ng)因素 因素n n 现代热分析技术及其应用 现代热分析技术及其应用第17页/共66页第十八页，共66页。2.热容(r rn)、比热容(r rn)热容(r rn)：比热容：在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高(shn o)1 K时所吸收的热量。定容热容定压热容1kg物质的热容，它与物质的本性有关。等压比热容等容比热容在固体材料研究中，通常使用摩尔热容。低温时，两者相差不大；高温时CpCv，为什么？第18页/共66页第十九页，共66页。第一节 材料(cilio)的热容n n 人们对热的物理本质的认识 人们对热的物理本质的认识n n 热容、比热容 热容、比热容n n 晶态固体 晶态固体(gt(gt)的热容 的热容n n 热容的影响因素 热容的影响因素n n 现代热分析技术及其应用 现代热分析技术及其应用第19页/共66页第二十页，共66页。3.晶态固体(gt)的热容（晶格热振动）晶格热容固体的热容（电子的热运动）电子热容元素热容(r rn)定律杜隆-伯替定律恒压下元素的原子热容(r rn)为25 J/(molK)。化合物定律奈曼-柯普定律化合物分子热容(r rn)等于构成此化合物各元素原子热容(r rn)之和。经验(jngyn)定律第20页/共66页第二十一页，共66页。晶态固体热容(r rn)的经典理论经典理论(lln)或经验定律在低温阶段完全不能适用，需用量子理论(lln)解释。能量均分(jnfn)定理：把每个原子当作一个三维的独立简谐振子，三个方向的振动能量完全相同。第21页/共66页第二十二页，共66页。金属 金属(jnsh(jnsh)铜的摩尔热容 铜的摩尔热容-温度曲线 温度曲线CV,mOCu T第22页/共66页第二十三页，共66页。修正 修正(xizhng)(xizhng)模式 模式 量子理论 量子理论根据麦克斯韦-玻尔兹曼定律(dngl)，一个振子的平均能量为：取前几项，化简得在高温(gown)时，第23页/共66页第二十四页，共66页。1mol固体的平均(pngjn)能量为所以(suy)，固体的摩尔热容为要想求得，必先知道(zh do)u 爱因斯坦模型u 德拜模型第24页/共66页第二十五页，共66页。爱因斯坦模型爱因斯坦模型(mxng)(mxng)假设：把晶体点阵上的每个原子都看做成独立的振子(zhn z)，而且都以相同的角频率振动。爱因斯坦比热(br)函数第25页/共66页第二十六页，共66页。令，称为(chn wi)爱因斯坦温度。当高温(gown)时，当低温(dwn)时，当 时，也趋于零。在该模型中，Cv与温度呈指数律变化，与实验得出的按 T3 变化规律仍有偏差。第26页/共66页第二十七页，共66页。德拜模型德拜模型(mxng)(mxng)假设：晶格(jn)为连续介质；晶体振动的长声学波连续介质的弹性波；在低温频率较低的格波对热容有重要贡献；纵横弹性波的波速相等。为徳拜特征温度，反应(fnyng)原子间结合力的大小。于是，假定其中，为徳拜比热函数第27页/共66页第二十八页，共66页。如何得到如何得到(d do)(d do)德拜温度？德拜温度？通过熔点 通过熔点 通过热容 通过热容 通过金属 通过金属(jnsh(jnsh)中弹性波传播速 中弹性波传播速度 度熔点(rngdin)相对原子质量原子体积德拜温度第28页/共66页第二十九页，共66页。当高温(gown)时，当低温(dwn)时，当 时，CvTO，与实验结果(ji gu)吻合。德拜理论在温度越低的条件下，符合越好。第29页/共66页第三十页，共66页。实际材料(cilio)的热容n n 无机(wj)材料（陶瓷）的热容n n 金属材料的热容主要区别在于金属内部有大量的自由电子，而在无机材料中，电子对热容的贡献(gngxin)基本上可以忽略不计。第30页/共66页第三十一页，共66页。第一节 材料(cilio)的热容n n 人们对热的物理本质的认识 人们对热的物理本质的认识n n 热容、比热容 热容、比热容n n 晶态固体的热容 晶态固体的热容n n 热容的影响因素 热容的影响因素n n 现代热分析技术 现代热分析技术(jsh)(jsh)及其应用 及其应用第31页/共66页第三十二页，共66页。无机材料无机材料(cilio)(cilio)的热容的热容n n 高于 高于 时，趋于常数；低于 时，趋于常数；低于 时，与 时，与 成正比；成正比；n n 与材料结构的关系不大；与材料结构的关系不大；n n 相变时，热容出现了突变 相变时，热容出现了突变(tbin)(tbin)；n n 单位体积的热容与气孔率有关。单位体积的热容与气孔率有关。第32页/共66页第三十三页，共66页。金属材料的热容(r rn)自由电子对热容(r rn)的贡献 合金成分(chng fn)对热容的影响 相变时的热容变化第33页/共66页第三十四页，共66页。自由电子自由电子(z yu din z(z yu din z)的贡献的贡献u 常温下，自由电子(z yu din z)热容微不足道u 高温和低温时，电子热容不能够忽略点阵振动(zhndng)热容自由电子热容第34页/共66页第三十五页，共66页。合金合金(hjn)(hjn)成分的影响成分的影响合金的热容是每个组成元素热容与其质量(zhling)百分比的乘积之和。适用于金属(jnsh)化合物、金属(jnsh)与非金属(jnsh)的化合物，但对铁磁合金不适用。第35页/共66页第三十六页，共66页。相变的热容相变的热容(r rn(r rn)变化变化u 熔化和凝固(nngg)u 一级相变和二级相变u 亚稳态组织转变第36页/共66页第三十七页，共66页。金属(jnsh)熔化时热焓与温度的关系Q0TTmLSq s液态金属(jnsh)的热容比固态的大。第37页/共66页第三十八页，共66页。Q QT TT T0 00 0一级相变 二级相变TcTc 一级相变有潜热(qinr)，热容有突变；二级相变无潜热(qinr)，热容无突变。第38页/共66页第三十九页，共66页。第一节 材料(cilio)的热容n n 人们 人们(rn men)(rn men)对热的物理本质的认识 对热的物理本质的认识n n 热容、比热容 热容、比热容n n 晶态固体的热容 晶态固体的热容n n 热容的影响因素 热容的影响因素n n 现代热分析技术及其应用 现代热分析技术及其应用第39页/共66页第四十页，共66页。4.现代热分析(fnx)技术及其应用n n 热重分析(fnx)（TG）n n 差热分析(fnx)（DTA）n n 示差热分析(fnx)（DSC）n n 热机械分析(fnx)（TMA）定义：在程序控温下测量物质(wzh)的物理性质与温度关系的一类技术。应用：金属、高分子、化学反应的动力学和反应机理研究。第40页/共66页第四十一页，共66页。第41页/共66页第四十二页，共66页。地址(dzh)：材料学院 A302室差热分析仪第42页/共66页第四十三页，共66页。第43页/共66页第四十四页，共66页。第44页/共66页第四十五页，共66页。第45页/共66页第四十六页，共66页。第46页/共66页第四十七页，共66页。第47页/共66页第四十八页，共66页。第48页/共66页第四十九页，共66页。第49页/共66页第五十页，共66页。第50页/共66页第五十一页，共66页。第51页/共66页第五十二页，共66页。第52页/共66页第五十三页，共66页。第53页/共66页第五十四页，共66页。第54页/共66页第五十五页，共66页。热分析在材料(cilio)领域中的应用n 建立合金(hjn)相图n 热弹性(tnxng)马氏体相变研究n 液晶相变研究n 合金的有序-无序转变研究第55页/共66页第五十六页，共66页。第56页/共66页第五十七页，共66页。第57页/共66页第五十八页，共66页。第58页/共66页第五十九页，共66页。第59页/共66页第六十页，共66页。第60页/共66页第六十一页，共66页。第61页/共66页第六十二页，共66页。第62页/共66页第六十三页，共66页。第63页/共66页第六十四页，共66页。小结(xioji)n n 基本概念：声子、热容、比热容n n 晶体的热容随温度变化曲线n n 金属与陶瓷(toc)热容的区别n n 热容的影响因素n n 现代热分析技术的原理与应用第64页/共66页第六十五页，共66页。专业术语n n 格波n n 声子n n 热容(r rn)n n 差热扫描技术第65页/共66页第六十六页，共66页。