材料的热学性能ppt课件.pptx

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1、在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第第八八章章 材料的热学材料的热学性能性能(Thermology properties of materials)1在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2什么是热学性能？你知道哪些？什么是热学性能？你知道哪些？2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确定义：定义：由于材料及其制品都是在一定的温度环境由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用

2、过程中，将对不同的温度做出下使用的，在使用过程中，将对不同的温度做出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。能称为材料的热学性能。3在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确材料热性能研究的意义材料热性能研究的意义在在空间科学技术中的应用空间科学技术中的应用在在能源科学技术中的应用能源科学技术中的应用在在电子技术和计算机技术中的应用电子技术和计算机技术中的应用4在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很

3、明确1.1.热膨胀的利用热膨胀的利用自控调温剂自控调温剂 温度控制阀温度控制阀 热敏蜡热敏蜡 52.2.热膨胀的避免热膨胀的避免石英陶瓷石英陶瓷快速模具快速模具陶陶瓷瓷阀阀6在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确复合玻璃纤维板（保温材料）复合玻璃纤维板（保温材料）暖通空调领域的早暖通空调领域的早期应用，主要发挥期应用，主要发挥了它作为保温材料了它作为保温材料的热学性能。的热学性能。3.3.保温材料保温材料保温毡保温毡保温材料保温材料硅酸铝制品硅酸铝制品 74.4.热传导材料热传导材料导热绝缘材料导热绝缘材料 热传导胶带热传导

4、胶带 铝合金散热器铝合金散热器 导热油导热油8在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确9热学性能：热容（thermalcontent），热膨胀（thermalexpansion），热传导（heatconductivity），热稳定性（thermalstability）等热的本质是什么热的本质是什么？9在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确10=微观弹性模量（micro-elastic-modulus），m=质点质量（mass），x=质点在x方向上位移（dis

5、placement）。根据牛顿第二定律，简谐振动方程（simpleharmonicvibrationequation）为：热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration）格波：格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波。形成的波。格波格波nn+2n-1n+1n-22/q=格波的特点格波的特点：晶格中原子的振动；晶格中原子的振动；相邻原子间存在固定的位相。相邻原子间存在固定的位相。11在整堂课的教学中，

6、刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确12(动能kineticenergy)i=热量（quantityofheat）即：各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。弹性波（格波）：包括振动频率低的声频支声频支和振动频率高的光频支光频支。12在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。由于两种原子的质量不同，振幅也不同，所以两原子间会有相对运动。光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小，频率很高的振动。1313在整堂课的教学中，

7、刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。格波中频率甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。14在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确15声学波的相邻原子振动方向相同，它描述的是原声学波的相邻原子振动方向相同，它描述的是原胞质心的运动胞质心的运动 。光学波描述的是原胞中原子的。光学波描述的是原胞中原子

8、的相对运动相对运动 。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确168.1 材料材料的热容的热容8.2 材料的热传导材料的热传导8.3 材料的热膨胀材料的热膨胀8.4 材料的热稳定性材料的热稳定性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.1 材料的热容材料的热容(Heat capacity of materials)17在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确18热热容容:材料在温度变化时且无

9、相变及化学反应条件下，物体温度升高1K所需要增加的能量。（J/K）显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比热容单位J/(K*g),摩尔热容单位 J/(K*mol)。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确19平均平均热容热容，T2-T1范围愈大，精度愈差。恒压热容恒压热容 恒容热容恒容热容 式中：Q热量，u内能，HP+pV焓。19在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确20由于恒压加热，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以根据热力学第二定律可以导出：式

10、中：Vm摩尔容积，体膨胀系数（expansioncoefficient），压缩系数（compressioncoefficient）。20在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2121在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确228.1.1晶态晶态固体热容的经验定律（固体热容的经验定律（experience law）恒压下元素的原子热容恒压下元素的原子热容为为元素元素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.4

11、元素的热容定律杜隆-珀替定律部分轻元素的原子热容:22在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确普通物理：气体分子的动能普通物理：气体分子的动能m分子分子的质量，的质量，分子分子的平均平动速率，的平均平动速率，k玻耳兹曼玻耳兹曼常数，常数，T绝对温度绝对温度气体气体分子的平均动能只由温度决定分子的平均动能只由温度决定。气体中的能量按自由度。气体中的能量按自由度均分的原则扩展到固体均分的原则扩展到固体平平衡衡状状态态下下，气气体体、液液体体和和固固体体分分子子的的任任何何一一种种运运动动形形式式的每一个自由度的平均动能都是的每一个

12、自由度的平均动能都是kT/2。固体中原子有三个自由度，其平均动能为固体中原子有三个自由度，其平均动能为3kT/223在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确241mol固体中有N个原子，总能量为N=6.0231023/mol阿佛加德罗常数，k=R/N=1.38110-23J/K玻尔兹曼常数，R=8.314J/(kmol)，T热力学温度（K）。固体中振动着的原子的动能与势能周期性变化，其平均动能和平均势能相等，所以一个原子平均能量为3kT24在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，

13、所提出的问题也很明确所以固体摩尔热容1819，P.l.Dulong和A.T.Petit提出，杜隆珀替定律。历史作用：修正原子量：锌、银、铅、金、锡、铜、镍、铁、硫等。测定原子量：锂、钠、钾、钙、镁等促进元素周期律的发现。由上式可知，热容是与温度T无关的常数25在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一些元素的室温摩尔热容量实验值一些元素的室温摩尔热容量实验值个别元素不符合杜隆珀替定律个别元素不符合杜隆珀替定律26在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确低温下杜

14、隆珀替定律同样不适用低温下杜隆珀替定律同样不适用27在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确28化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和。理论解释：C=nici。其中，ni化合物中元素i的原子数；ci元素i 的摩尔热容。化合物的热容定律化合物的热容定律柯普定律柯普定律 对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，故摩尔热容为28在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确29杜隆珀替定律在高温时与实验结果很吻合。但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒

15、量，下面将要作详细讨论。对于三原子的固态化合物的摩尔热容：其余依此类推。29在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确30普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量都是以hv 为最小单位.式中,普朗克常数，=角频率。8.1.2 热容的量子理论（quantum theory）1.1.晶格振动振子的平均能量晶格振动振子的平均能量 30在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确能量为能量为的能量量子即声子。的能量量子即声子。按波尔兹曼统计理论，能量为按波尔兹曼统计理论，

16、能量为Ei 的谐振子的的谐振子的数量正比于数量正比于31在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确32将上式中多项式展开各取前几项，化简得：根据麦克斯韦-玻尔兹曼分配定律可推导出，在温度为T时，一个振子的平均能量为:这个公式似这个公式似曾相识？曾相识？32在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确33 在高温时，所以即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。33在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很

17、明确34非常困难（verydifficult）由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的合成运动，则1mol固体的平均能量为：34在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确若角频率分布可用函数()表示，则在和+d之间的格波数为()d，固体的平均能量为其中m为最大角频率。具体材料的()计算很复杂，一般用简化的模型处理。35在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2.2.爱因斯坦模型爱因斯坦模型爱因斯坦模型假设

18、：晶体中所有原子都以相同的爱因斯坦模型假设：晶体中所有原子都以相同的角频率角频率 E振动，且各振动相互独立，则一摩尔晶振动，且各振动相互独立，则一摩尔晶体的平均能量体的平均能量其中其中称为爱因斯坦温度，称为爱因斯坦温度，一般为一般为100-300K。36在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶格热振动的摩尔热容晶格热振动的摩尔热容37在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确38这个公式似这个公式似曾相识？曾相识？高温时高温时T0很大，很大，E/T1，所以T0

19、则CmV0，与实验相符。40在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3.3.德拜德拜(Debye)(Debye)热容模型热容模型德拜热容模型假设：考虑了晶体中原子的相互作用,晶体是各向同性连续介质，晶格振动具有从0m的角频率分布，则对具有N个原子的晶体有：其中其中V为晶体体积，为晶体体积，vp为波速。为波速。可证明，对晶体中的三支连续介质弹性波，有：可证明，对晶体中的三支连续介质弹性波，有：41在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确将将()代入积分式，得：代

20、入积分式，得：所以晶体的平均能量所以晶体的平均能量令令为德拜温度，为德拜温度，42在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确则有则有43在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确当N=N0，得摩尔热容高温时T0很大，D/T3R(电子的贡献）电子的贡献）59在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2.2.合金的热容合金的热容固溶体或化合物的热容固溶体或化合物的热容服从奈曼柯普定律服从奈曼柯普定律C=

21、pC1+qC2对多相合金和复合材料，合金的热容C=giCip和q：组成原子的百分数；C1和C2为其原子热容原因是原子在合金中的热振动能几乎与在单质中相同。但上述规律在低温下不适用对多元固溶体或化合物，合金的热容C=niCi其中ni和Ci为第i组元的原子分数和原子热容。其中gi和Ci分别是第i相的重量分数和比热容。60在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确几种陶瓷的热容温度曲线几种陶瓷的热容温度曲线陶瓷多为离子晶体，符合德拜模型：陶瓷多为离子晶体，符合德拜模型：达到达到3R，因，因 D不同达到不同达到3R的温度略有不同。的温度

22、略有不同。3.3.陶瓷的热容陶瓷的热容61在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.1.4 热分析法热分析法(Thermoanalysis methods)62在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一级相变有相变潜热，二级相变有热容变化。分析焓变确定热容和相变潜热，是研究相变的有效方法。传统方法：量热计法、萨克斯法和史密斯法。63在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）差热分析DTA

23、(DifferentialThermalAnalysis)（2）差示扫描量热法DSC(DifferentialScanningCalorimetry)（3）热重法TG(ThermalGravimetry)（4）热膨胀分析(见热膨胀部分)64依据材料的温度、质量等参数的热效应与材料组织结构存在对应关系。常用的有以下几种64在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确A2温温度度有有明明显显的的热热容容变变化化，是是二二级级相相变（磁性转变）变（磁性转变）应应用用:金金属属、陶陶瓷瓷、高高分分子子材材料料相相变变优优点点：需需要要的的

24、样样品品少少且且制制备备容容易易，可可对对热热学学参参数数进进行准确的定量。行准确的定量。65在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。质与温度关系的一类技术。661.1.运输性质变化运输性质变化2.2.热力学性质（比热等）变化热力学性质（比热等）变化3.3.溶解（固相转变为液相）溶解（固相转变为液相）4.4.凝固（液相转变为固相）凝固（液相转变为固相）5.5.升华（固态直接转变为气态）升华（固态直接转变为气态）6.6.凝华（

25、气态直接转变为固态）凝华（气态直接转变为固态）7.7.相变相变8.8.热释电效应热释电效应9.9.热分解和热裂解热分解和热裂解10.10.热稳定热稳定热物理性质变化热物理性质变化66在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确物理性质物理性质热分析技术名称热分析技术名称缩缩 写写质质 量量热重法热重法热重法热重法TG等压质量变化测定等压质量变化测定逸出气检测逸出气检测逸出气分析逸出气分析EGD放射热分析放射热分析EGA热微粒分析热微粒分析温温 度度升温曲线测定升温曲线测定差热分析差热分析差热分析差热分析DTA热热 量量差示扫描量热

26、差示扫描量热差示扫描量热差示扫描量热DSC尺尺 寸寸热膨胀法热膨胀法力学特性力学特性热机械分析热机械分析热机械分析热机械分析TMA动态热机械法动态热机械法动态热机械法动态热机械法DMA声学特性声学特性热发声法热发声法热传声法热传声法光学特性光学特性热光学法热光学法电学特性电学特性热电学法热电学法磁学特性磁学特性热磁学法热磁学法67国际热分国际热分析协会析协会（ICTA）将热分析将热分析分为分为9类类17种。种。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确差热分析 DTA68DTA仪器原理图1测量系统；2加热炉；3温度程序控制器；4

27、记录仪差热分析(differentialthermalanalysis,DTA)：通过分析样品与参比物的温差反映样品是否有放热或吸热。68在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确差热分析的特征和影响因素69影响分析结果的因素：升温速率、样品体积、加热炉填充密度、气氛、热电偶位置 升温速率高，则吸热峰向高温方向移动。发表数据应注明测试条件。放热效应：化学吸附、结晶等吸热效应：熔化、解吸附、升华等一、定性分析 DTA定性分析，就是通过实验获得DTA曲线，根据曲线上吸、放热峰的形状、数量、特征温度点的温度值，即曲线上特定形态来鉴定分

28、析试样及其热特性。所以，获得DTA曲线后，要清楚有关热效应与物理化学变化的联系，再掌握一些纯的或典型物质的DTA曲线，便可进行定性分析。差热分析的定性和定量鉴定70二、定量分析一般是采用精确测定峰面积或峰高的办法，然后以各种形式确定矿物在混合物中的含量。1）定量基本公式：H=KAA=Km2）图表法3）单矿物标准法4）面积比法71在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2 差示扫描量热法 DSC72功率补偿型DSC原理图(b)高纯铟的DSC分析曲线差示扫描量热法(differentialscanningcalorimetry,D

29、SC)：同时加热样品和参比物，并使其保持同样温度，通过对样品的功率补偿反应样品的放热和吸热除反映相变点外，还可对热学参数准确定量在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3 热重法（TG）7373在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确74热分析热分析应用应用1、建立合金的相图、建立合金的相图2、DSC研究相变与热关系研究相变与热关系3、研究材料的热稳定性、研究材料的热稳定性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，

30、所提出的问题也很明确8.2 材料的热传导材料的热传导(Thermal conductivity of materials)75在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确76三大传输？三大传输？动量传输伯努利方程 热量传输粘滞现象传热现象扩散现象质量传输傅里叶定律菲克定律76在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.2.1 热传导的宏观现象热传导的宏观现象(Macro characters of thermal conductivity)77在整堂课的教学中，刘

31、教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热传导：材料中的热量自动从热端传向冷端的现象傅里叶(Fourier)定律：材料各点的温度不随时间变化时(稳态),时间t内沿x轴正方向传过S截面上的热量kt为导热系数导热系数（热导率），即单位温度梯度下单位时间内通过材料单位垂直截面积的热量,单位为Jm-1S-1K-1。它只适用于稳定传热的条件，即是常数q（热流密度热流密度）即热流密度与温度梯度成正比。78在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确79x方向上的温度梯度。Fourier Law

32、当0时，Q0，热量沿x 轴正方向传递。0时，Q0，热量沿x 轴负方向传递。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确80对于非稳定传热过程：式中：密度（density），恒压热容。非稳态传热：传热过程中物体内各处的温度随时间而变化。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确导温系数非稳态时，材料各点的温度是时间的函数。例：不考虑材料与外界的热交换，则热端温度逐渐降低，冷端温度逐渐升高，各点的温度梯度不断变化，到平衡时趋于零。定义为导温系数（热扩散率导温系数（热扩散

33、率），反映非稳态传热时的温度变化速率，则有81在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.2.2 热传导的机理热传导的机理(Mechanism of thermal conductivity)82在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确83气体导热质点间直接碰撞；金属导热自由电子间碰撞；固体导热晶格振动（格波）声子碰撞，并且格波分为声频支和光频支两类。固体：组成的质点只能在其平衡位置附近做微小的振动，热传递主要靠电子和声子以及光子（高温下）。在整堂课的教学中，

34、刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确84 根据量子理论，谐振子的能量是不连续的，能量的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元量子(quantum)的整数倍。声频支格波（acousticfrequency）弹性波，把声频波的量子称为声子(phonon)，其具有的能量为。声子具有能量，也具有准动量，它的行为类似于电子或光子，具有粒子的性质。但声子与电子或光子是有本质区别的，这种具有粒子性质，但又不是真实物理实体的概念称为准粒子。1 1 声子导热声子导热在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出

35、的问题也很明确高温处，热振动强烈，通过声子碰撞使邻近低温处振动加强，发生热量传递。定义声子两次碰撞间走过的路程为声子自由程p，该自由程两端的温差85在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确声子从一端带到另一端的热量为声子从一端带到另一端的热量为其中其中 为声子对热容的贡献为声子对热容的贡献若声子沿导热方向若声子沿导热方向x的速度为的速度为vpx，单位时间通过单位截面积的热量即能流密度为单位时间通过单位截面积的热量即能流密度为定义声子两次碰撞的时间间隔为弛豫时间定义声子两次碰撞的时间间隔为弛豫时间 p，则，则 p=pvpx86在

36、整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确所以所以由热流密度的定义由热流密度的定义知声子导热系数知声子导热系数根据能量均分定理有根据能量均分定理有其中其中 为为 的的平均值，平均值，为为声子的平均速度声子的平均速度又平均自由程又平均自由程87在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2 2 电子导热电子导热与声子导热类似，对电子导热也有：与声子导热类似，对电子导热也有：电子导热系数电子导热系数其中其中 为电子对热容的贡献，为电子对热容的贡献，ve为其平均速度为其平均

37、速度,为其平均自由程。为其平均自由程。考虑到考虑到 ，得得ne，e和和m分别为电子密度，平均弛豫时间和质量分别为电子密度，平均弛豫时间和质量88在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3 3 光子导热光子导热热射线：有热效应的电磁波称为热射线当固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态发生改变时，会辐射出频率较高的电磁波。这类电磁波覆盖了一较宽的频谱。其中具有较强热效应的是波长在04-40m间的可见光与部分近红外光的区域。这部分辐射线就称为热射线。89在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯

38、度，由浅入深，所提出的问题也很明确90 固体中除了声子的热传导外，还有光子的热传导。其辐射能量与温度的四次方成正比，黑体单位容积的辐射能式中，斯蒂芬-波尔兹曼常数，n-折射率，光速。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确91由于辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量同时则：式中，lr辐射线光子的平均自由程，描述介质中这种辐射能的传递能力，取决于光子的平均自由程lr。对于无机材料只有在1500以上时，光子传导才是主要的。对于介质中辐射传热过程可以定性解释对于介质中辐射传热过程可以定性解释为：为：任何温度下的物体既能辐射

39、出一定频率的射线，任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样也能吸收类似的射线。同样也能吸收类似的射线。介质中任一体积元平均辐射的能量平均吸收的能量相等热稳定状态热稳定状态介质中任一体积元平均辐射的能量平均吸收的能量介质中任一体积元平均辐射的能量平均吸收的能量降温降温介质中任一体积元平均辐射的能量平均吸收的能量介质中任一体积元平均辐射的能量平均吸收的能量升温升温92光子的平均自由程lrlr与与介质透明介质透明度度的关系的关系透明介质透明介质热阻很小，热阻很小，lr较大，辐较大，辐射传热大射传热大不透明介质不透明介质热阻很大，热阻很大，lr较小，辐较小，辐射传热小射传热小完全不透明介质完全不

40、透明介质lr=0，在这种介质中，在这种介质中，辐射传热可以忽略。辐射传热可以忽略。93lr与光子的吸收、散射的关系 吸收系数小的透明材料，当温度为几百度时，光辐射才是主要的；吸收系数大的不透明材料，lr小，即使在高温时，光子传导也不重要。在无机材料中，主要是光子的散射问题，这使在无机材料中，主要是光子的散射问题，这使得得lr比玻璃和单晶都小，只是在比玻璃和单晶都小，只是在1500以上，以上，光子传导才是主要的。光子传导才是主要的。94在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确光子的导热率其中lr为光子的平均自由程。单晶陶瓷和玻璃

41、：一般透明，在5001000C辐射传热即比较明显。普通的烧结陶瓷、多晶陶瓷和金属：一般不透明，辐射传热作用很小。光子导热机制主要发生于透明材料中。在透明材料中lr较大，导热率大；半透明材料lr很小，不透明材料lr=0，光子导热可忽略。95在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.2.3 实际材料的导热实际材料的导热(Thermal conductivity of actual materials)96在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确对纯金属有：对纯金

42、属有：即金属的主要传热机制是电子导热，具有高导热系即金属的主要传热机制是电子导热，具有高导热系数。数。所以所以纯金属的导热机制1 1 金属和合金的导热金属和合金的导热97在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热导率与电导率的关系热导率与电导率的关系(魏弗洛定律）魏弗洛定律）金金属属传传热热和和导导电电都都以以自自由由电电子子为为主主要要载载体体，猜猜测测二二者者之之间间有有关关系系。魏魏德德曼曼弗弗兰兰兹兹洛洛伦伦兹兹(Wideman-Franz-Lorenz)首先发现该关系首先发现该关系：kt/=LT其中其中L为比例系数为

43、比例系数。若只考虑电子的传导机制，则由于。若只考虑电子的传导机制，则由于，（第六章），有（第六章），有称为洛伦兹常数。称为洛伦兹常数。98在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确温度高于温度高于 D时电导率较高的金属时电导率较高的金属L为常数为常数99在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确温度较低温度较低时电导率较低的金属时电导率较低的金属L为为变数变数 Why?100在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所

44、提出的问题也很明确解释：考虑声子导热，导电与导热的关系应写成解释：考虑声子导热，导电与导热的关系应写成只有只有T D，时时,导热导热主要由自由电子贡献主要由自由电子贡献，魏魏弗洛定律才严格成立。弗洛定律才严格成立。魏弗洛定律虽有局限，但它是自由电子理论的一个证魏弗洛定律虽有局限，但它是自由电子理论的一个证明，且可由电导率估计热导率。明，且可由电导率估计热导率。101在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确合金中的杂质合金中的杂质原子对电子起原子对电子起散射作用，杂散射作用，杂质浓度上升，质浓度上升，e降低，降低，kte降低，导

45、热是降低，导热是声子和电子的声子和电子的共同的贡献。共同的贡献。合金的导热合金的导热Ag-Au合金的导热系数合金的导热系数杂质越多，杂质越多，kt越越低，在原子浓度低，在原子浓度50处达到最低处达到最低102在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确纯金属导热103l合金导热l半金属和半导体导热在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶态陶瓷的导热晶态陶瓷的导热主要为声子导热，高温时有光子导热。主要为声子导热，高温时有光子导热。2 2 陶瓷和高分子材料的导热陶瓷

46、和高分子材料的导热陶瓷热导率与温度的关系陶瓷热导率与温度的关系低温，声子速低温，声子速率率vp近于常数，近于常数，平均自由程基平均自由程基本保持最大，本保持最大，热容与热容与T3成正成正比，故导热系比，故导热系数近似与数近似与T3成成正比正比温度升高，温度升高，声子平均声子平均自由程减自由程减小，增大小，增大变慢，故变慢，故导热系数导热系数达到极大达到极大值值104在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确陶瓷热导率与温度的关系陶瓷热导率与温度的关系高高温温有有光光子子导导热热，热导率再次升高。热导率再次升高。温度再升高，声子热

47、容几温度再升高，声子热容几乎恒定在乎恒定在3 3R R，自由程与温，自由程与温度成反比，热导率随温度度成反比，热导率随温度的升高成反比下降。的升高成反比下降。非晶态陶瓷的导热非晶态陶瓷的导热系数总是比晶态陶系数总是比晶态陶瓷的低。瓷的低。105在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确非晶陶瓷的导热非晶陶瓷的导热低低温温（600K以以下下）导导热热系系数数主主要要是是声声子子的的贡贡献献，T，热容，热容，kt 600-900K出出现光子导热现光子导热900K以以 上上，光光子子导导热热急急剧增大剧增大若若陶陶瓷瓷不不透透明明，无

48、无光光子子对对导导热热的的贡贡献献，a点点以以后后声声子子热热容不再增大容不再增大106在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确与合金固与合金固溶体有类溶体有类似的趋势。似的趋势。陶瓷固溶体的热导率陶瓷固溶体的热导率MgO-NiO固溶体的导热系数与成分的关系固溶体的导热系数与成分的关系 杂质越多，杂质越多，kt越越低，在原子浓度低，在原子浓度50左右最低左右最低107在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确复相材料的导热复相材料的导热许多陶瓷是分散相均匀分布于

49、连续相中。许多陶瓷是分散相均匀分布于连续相中。复相合金和复合材料也如此。复相合金和复合材料也如此。复相材料的热导率复相材料的热导率其中其中=kc/kd是连续相和分散相的导热系数之比，是连续相和分散相的导热系数之比，Vd是分散是分散相的体积分数。相的体积分数。若将陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）当作连续相，若将陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）当作连续相，可计算陶瓷的热导率。可计算陶瓷的热导率。108在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确若若将将固固体体看看成成连连续续相相，气气孔孔看看成成分分散散相相，则则由由于于气气孔孔

50、热热导导率率kd 0，有，有即气孔增多，热导率降低即气孔增多，热导率降低用多孔陶瓷保温。用多孔陶瓷保温。孔孔隙隙率率较较大大偏偏离离线线性性关关系系孔孔隙隙过过多多难难以以分分散散均均匀匀，易易形形成成连连续续的的通通孔孔，发发生生对对流流传传热热；高高温温下下孔孔隙隙率率较较大大时时辐辐射射传传热热不不能能忽略忽略109在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确高分子材料的导热高分子材料的导热一一般般没没有有自自由由电电子子，在在其其使使用用温温度度下下一一般般也也不不会会发发生生明明显显的的光子导热光子导热通通过过分分子子与