1、中国矿业大学 材料科学与工程学院,第一章 材料的热学性能,顾修全,在空间科学技术中的应用,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。,在能源科学技术中的应用,i)保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。,ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用
2、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。,在电子技术和计算机技术中的应用,i)在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）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 机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。,请思考,对于同等质量的砂子和水，砂子的升降温速度比水要快一些？如何衡量物体升降温的快慢？什么是热容？,什么是热容？,热容表示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的容量。,本章内容,热容热膨胀热传导热稳定性,第一节 材
3、料的热容,人们对热的物理本质的认识 热容、比热容 晶态固体的热容 热容的影响因素 现代热分析技术及其应用,无机材料,金属材料,1.人们对热的物理本质的认识,中国古代，金、木、水、火、土五行学说。西方18世纪以前，热质说，认为热是一种物质。1798年，伦福德、戴维等发现摩擦生热，彻底摧毁了热质说。19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，即热力学第一定律。1900年，普朗克解释黑体辐射现象，提出热量是量子化的。1912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。,支持者：培根、拉瓦锡、拉普拉斯等。,热力学四大定律,第一定律：能量守恒定律
4、第二定律：熵增加定律 第三定律：绝对温标 第零定律：热平衡定律,迈尔、焦耳、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,12,热力学第零定律：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热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。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它给出了 温度的定义和温度的测量方法。,热究竟是什么？,热量传递的三种方式：,热传导,热对流,热辐射,热本质上是能量的一种形式，是由分子的无规则运动引起的。,热量传递的基本方式,热的本质？,热是晶格（
5、或组成材料的分子）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。,声子就是指格波的能量量子，它的能量等于h。一个格波，也就是一种振动模，称为一种声子。,晶格振动以弹性波（格波）的形式在材料内传播。当温度不太高时，原子的振动可看作“谐振子”。 能量为,En =,（式中n = 0,1,2,）,声频支、光频支,声频支：振动着的质点中包含频率低的格波，质点彼此之 间的位相差不大。可以看成相邻原子具有相同的振动方向。,光频支：格波中频率高的振动波，质点间的位相差很大，邻 近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区。可以看成相 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
6、波。,反映晶格原子的整体运动,反映晶格原子的相对运动,第一节 材料的热容,人们对热的物理本质的认识 热容、比热容 晶态固体的热容 热容的影响因素 现代热分析技术及其应用,2. 热容、比热容,热容：,比热容：,在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量。,定容热容,定压热容,1 kg 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Cp Cv，为什么？,第一节 材料的热容,人们对热的物理本质的认识 热容、比热容 晶态固体的热容 热容的影响因素 现代热分析技术及其应用,3. 晶态固体的热容,元素热容定律
7、杜隆-伯替定律恒压下元素的原子热容为25 J/(molK)。化合物定律奈曼-柯普定律化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。,经验定律,晶态固体热容的经典理论,经典理论或经验定律在低温阶段完全不能适用，需用量子理论解释。,能量均分定理：,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。,金属铜的摩尔热容-温度曲线,修正模式量子理论,根据麦克斯韦-玻尔兹曼定律，一个振子的平均能量为：,取前几项，化简得,在高温时，,1 mol固体的平均能量为,所以，固体的摩尔热容为,要想求得 ，必先知道,爱因斯坦模型,德拜模型,爱因斯坦模型,假设：把晶体点阵上的每个原子都看做成独立的振
8、子，而且都以相同的角频率振动。,爱因斯坦比热函数,令 ，称为爱因斯坦温度。,当高温时，,当低温时，,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。,德拜模型,假设：晶格为连续介质；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，反应原子间结合力的大小。,于是，假定,其中，,为徳拜比热函数,如何得到德拜温度？,通过熔点通过热容通过金属中弹性波传播速度,熔点,相对原子质量,原子体积,德拜温度,当高温时，,当低温时，,当 时，,，与实验结果吻合。,德拜理论在温度越低的条件下，符合越好
9、。,实际材料的热容,无机材料（陶瓷）的热容金属材料的热容,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，电子对热容的贡献基本上可以忽略不计。,第一节 材料的热容,人们对热的物理本质的认识 热容、比热容 晶态固体的热容 热容的影响因素 现代热分析技术及其应用,无机材料的热容,高于 时，趋于常数；低于 时，与 成正比；与材料结构的关系不大；相变时，热容出现了突变；单位体积的热容与气孔率有关。,金属材料的热容,自由电子对热容的贡献,合金成分对热容的影响,相变时的热容变化,自由电子的贡献,常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略,点阵振动热容,自由电子热容,合金成分的影响
10、,合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。,适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，但对铁磁合金不适用。,相变的热容变化,熔化和凝固 一级相变和二级相变 亚稳态组织转变,金属熔化时热焓与温度的关系,Q,0,T,Tm,L,S,q s,液态金属的热容比固态的大。,一级相变有潜热，热容有突变； 二级相变无潜热，热容无突变。,第一节 材料的热容,人们对热的物理本质的认识 热容、比热容 晶态固体的热容 热容的影响因素 现代热分析技术及其应用,4. 现代热分析技术及其应用,热重分析（TG）差热分析（DTA）示差热分析（DSC）热机械分析（TMA）,定义：在程序控温下测量物质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。,地址：材料学院A302室,差热分析仪,热分析在材料领域中的应用,建立合金相图,热弹性马氏体相变研究,液晶相变研究,合金的有序-无序转变研究,小结,基本概念：声子、热容、比热容晶体的热容随温度变化曲线金属与陶瓷热容的区别热容的影响因素现代热分析技术的原理与应用,专业术语,格波 声子 热容 差热扫描技术,
