材料的熱學(xué)性--3ppt課件

1、材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能 任何材料在使用的過程中都會受到熱影響任何材料在使用的過程中都會受到熱影響或產(chǎn)生熱效應(yīng)。一些場合要求材料具有特或產(chǎn)生熱效應(yīng)。一些場合要求材料具有特殊的熱學(xué)性能殊的熱學(xué)性能低膨脹性能、好的隔熱性低膨脹性能、好的隔熱性能、高的導(dǎo)熱性能等。材料的熱學(xué)性能在能、高的導(dǎo)熱性能等。材料的熱學(xué)性能在材料的相變研究中具有重要意義。材料的相變研究中具有重要意義。材料的熱學(xué)性能主要包括：材料的熱學(xué)性能主要包括：熱容thermal content）熱膨脹thermal expansion）熱傳導(dǎo)heat conductivity）理解材料的熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)的物理本質(zhì)，掌握表征上述性能

2、的物理參量：摩爾熱容、線膨脹、體膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散律的物理意義。熱容是物體溫度升高熱容是物體溫度升高1K1K所需要增加的能量。所需要增加的能量。 TTQC)(比熱容單位比熱容單位 , ,摩爾熱容單位摩爾熱容單位 )/(gkJ)/(molkJ平均熱容平均熱容12TTQC均恒壓熱容恒壓熱容 恒容熱容恒容熱容 PPPTHTQC)()(VVVTETQC)()(lQ熱量lE內(nèi)能lH熱焓第一節(jié)第一節(jié) 材料的熱容材料的熱容a.a.恒容熱容：恒容熱容：加熱過程中材料的體積不變，則所供給的熱量加熱過程中材料的體積不變，則所供給的熱量只滿足溫度升高只滿足溫度升高1K1K時(shí)物體內(nèi)能的增加。時(shí)物體內(nèi)能的增加。b

3、.b.恒壓熱容：恒壓熱容：保持壓力不變的情況下，加熱過程中材料的體保持壓力不變的情況下，加熱過程中材料的體積膨脹，則所供給的熱量除滿足溫度升高積膨脹，則所供給的熱量除滿足溫度升高1K1K時(shí)時(shí)物體內(nèi)能的增加外，還必須補(bǔ)充對外做功的損物體內(nèi)能的增加外，還必須補(bǔ)充對外做功的損耗。耗。比熱容：比熱容：焓和熱容是材料發(fā)生相變時(shí)的重要參量。焓和熱容是材料發(fā)生相變時(shí)的重要參量。l熱分析熱分析l研究焓和溫度的關(guān)系，可以確定熱容的研究焓和溫度的關(guān)系，可以確定熱容的變化和相變潛熱。熱分析法是建立在熱測變化和相變潛熱。熱分析法是建立在熱測量和溫度測量基礎(chǔ)上的現(xiàn)代測試方法。量和溫度測量基礎(chǔ)上的現(xiàn)代測試方法。l熱分析：

4、程序控制溫度，測量物質(zhì)的物熱分析：程序控制溫度，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)和溫度關(guān)系的技術(shù)。理性質(zhì)和溫度關(guān)系的技術(shù)。l熱分析方法的種類：熱分析方法的種類：l差熱分析差熱分析DTA探測過程中的熱效應(yīng)并確定熱探測過程中的熱效應(yīng)并確定熱效應(yīng)的大小和發(fā)生溫度。效應(yīng)的大小和發(fā)生溫度。l差熱分析是在測定熱分析曲線的同時(shí)，利用示差熱分析是在測定熱分析曲線的同時(shí)，利用示差熱電偶測定待測試樣差熱電偶測定待測試樣1 1和標(biāo)準(zhǔn)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣2 2的溫度而的溫度而進(jìn)行的熱分析。進(jìn)行的熱分析。l示差熱電偶由兩對熱電偶極性反接串聯(lián)而成，示差熱電偶由兩對熱電偶極性反接串聯(lián)而成，熱端處于試樣熱端處于試樣1 1和和2 2中。中。待測試

5、樣待測試樣1 1、標(biāo)準(zhǔn)試樣、標(biāo)準(zhǔn)試樣2 2和和3 3分別處于加熱爐分別處于加熱爐溫度場中的對稱位置。溫度場中的對稱位置。標(biāo)樣的選擇要求是在研究溫區(qū)內(nèi)無相變的材料，標(biāo)樣的選擇要求是在研究溫區(qū)內(nèi)無相變的材料，質(zhì)量和尺寸與待測樣相當(dāng)，以便于加熱和冷卻質(zhì)量和尺寸與待測樣相當(dāng)，以便于加熱和冷卻速率相同。速率相同。l熱分析應(yīng)用實(shí)例熱分析應(yīng)用實(shí)例l測定并建立合金相圖測定并建立合金相圖l熱分析應(yīng)用實(shí)例熱分析應(yīng)用實(shí)例l熱彈性馬氏體相變研究熱彈性馬氏體相變研究l升降溫過程中熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變都出現(xiàn)顯升降溫過程中熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變都出現(xiàn)顯著的吸熱與放熱峰，據(jù)此可以準(zhǔn)確地判斷相變開始著的吸熱與放熱峰，據(jù)此可以

6、準(zhǔn)確地判斷相變開始及終了溫度。及終了溫度。l熱分析應(yīng)用實(shí)例熱分析應(yīng)用實(shí)例l有序有序無序轉(zhuǎn)變的研究無序轉(zhuǎn)變的研究l曲線曲線a：無序的合金：無序的合金加熱到加熱到350-470時(shí)，時(shí)，合金發(fā)生部分有序化并合金發(fā)生部分有序化并放出潛熱；繼續(xù)加熱到放出潛熱；繼續(xù)加熱到470以上發(fā)生吸熱的以上發(fā)生吸熱的無序轉(zhuǎn)變。無序轉(zhuǎn)變。l曲線曲線b表示的是完全有序到完全無序的吸熱效應(yīng)表示的是完全有序到完全無序的吸熱效應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 材料的熱膨脹材料的熱膨脹l熱膨脹的本質(zhì)熱膨脹的本質(zhì)簡諧振動(dòng)簡諧振動(dòng)一、熱膨脹系數(shù)一、熱膨脹系數(shù)熱膨脹熱膨脹:物體的體積或長度隨溫度升高而物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象增大的現(xiàn)象l線

7、膨脹系數(shù)，即溫度升高線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時(shí)，物時(shí)，物體的體的 相對伸長。相對伸長。Tlll0同理，物體體積隨溫度的增加可表示為： V為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1k時(shí)物體體積相對增長值。舉例：立方體 由于l 值很小，可略 以上的高次項(xiàng)，那么： )1 (0TVVVT303303)1 ()1 (TVTllVllTT2l)31 (0TVVlTl二、熱膨脹和其他性能關(guān)系二、熱膨脹和其他性能關(guān)系l 1熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系l 質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力愈強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)愈小。質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力愈強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)愈小。單質(zhì)材料 min0)(10-10m) 結(jié)合能(103J/mol) 熔點(diǎn)（）

8、l(10-6) 金剛石 1.54 712.3 3500 2.5 硅 2.35 364.5 1415 3.5 錫 5.3 301.7 232 5.3 l2 2熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系tgrdTdrrdTrLdTdL00011l2 2熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系l熱膨脹是固體材料受熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動(dòng)加劇而熱以后晶格振動(dòng)加劇而引起的容積膨脹，而晶引起的容積膨脹，而晶格振動(dòng)的激化就是熱運(yùn)格振動(dòng)的激化就是熱運(yùn)動(dòng)能量的增大。升高單動(dòng)能量的增大。升高單位溫度時(shí)能量的增量也位溫度時(shí)能量的增量也就是熱容的定義。所以就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)顯然與熱容熱膨脹系

9、數(shù)顯然與熱容密切相關(guān)并有著相似的密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律規(guī)律l (1) (1)機(jī)械膨脹儀：采用機(jī)械的方法放大并檢測試樣的熱機(jī)械膨脹儀：采用機(jī)械的方法放大并檢測試樣的熱膨脹量。包括干分表式膨脹儀、機(jī)械杠桿式膨脹儀等。膨脹量。包括干分表式膨脹儀、機(jī)械杠桿式膨脹儀等。l (2)(2)光學(xué)膨脹儀：利用各種光學(xué)原理放大并檢測試樣的光學(xué)膨脹儀：利用各種光學(xué)原理放大并檢測試樣的熱膨脹員。包括光杠桿式膨脹儀、光干涉法膨脹儀等。熱膨脹員。包括光杠桿式膨脹儀、光干涉法膨脹儀等。l (3)(3)電學(xué)膨脹儀：利州各種咆學(xué)原理放大并檢測試樣的電學(xué)膨脹儀：利州各種咆學(xué)原理放大并檢測試樣的熱膨脹量。包括電感式膨脹儀、電容式

10、膨脹儀等。熱膨脹量。包括電感式膨脹儀、電容式膨脹儀等。l (4)(4)直接觀測式膨脹儀：利用精密的測長儀器，如：比直接觀測式膨脹儀：利用精密的測長儀器，如：比長儀、垂高計(jì)等，直接觀測試樣的熱膨脹員。長儀、垂高計(jì)等，直接觀測試樣的熱膨脹員。l (5)x(5)x射線衍射法：是一種微觀的檢測方法。借助晶體射線衍射法：是一種微觀的檢測方法。借助晶體對對X X射線的衍射，測量品格常數(shù)射線的衍射，測量品格常數(shù)( (原子間距原子間距) )隨溫度的變化隨溫度的變化. .三、熱膨脹系數(shù)的測量三、熱膨脹系數(shù)的測量1.1.光杠桿式膨脹儀法光杠桿式膨脹儀法絕對法光三角架放大的膨脹儀1.1.標(biāo)準(zhǔn)樣用以測溫）標(biāo)準(zhǔn)樣用以測

11、溫） 2.2.被測樣被測樣 3.3.凹面鏡凹面鏡光杠桿式膨脹儀的工作原理光杠桿式膨脹儀的工作原理總則：用照相方法直接記錄出膨脹曲線?？倓t：用照相方法直接記錄出膨脹曲線。將試樣的膨脹通過一根傳遞桿引出，傳遞桿推將試樣的膨脹通過一根傳遞桿引出，傳遞桿推動(dòng)一個(gè)帶小鏡的光三角架或其它光杠桿機(jī)械動(dòng)一個(gè)帶小鏡的光三角架或其它光杠桿機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)成光點(diǎn)的位移量，并轉(zhuǎn)動(dòng)，將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)成光點(diǎn)的位移量，并借助于照像或光電轉(zhuǎn)換的主法觀察和測量光點(diǎn)借助于照像或光電轉(zhuǎn)換的主法觀察和測量光點(diǎn)的位移。的位移。既可直接測得伸長量，又可用示差法測得標(biāo)準(zhǔn)既可直接測得伸長量，又可用示差法測得標(biāo)準(zhǔn)試樣和待測試樣的差。

12、試樣和待測試樣的差。2 2、直接觀測法：、直接觀測法：利用雙筒望遠(yuǎn)鏡、垂高計(jì)、比長儀利用雙筒望遠(yuǎn)鏡、垂高計(jì)、比長儀等儀器直接觀測加熱過程中試樣兩等儀器直接觀測加熱過程中試樣兩標(biāo)距間的長度，從而計(jì)算出膨脹系標(biāo)距間的長度，從而計(jì)算出膨脹系數(shù)。數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：最直觀最簡便穩(wěn)定可靠的測優(yōu)點(diǎn)：最直觀最簡便穩(wěn)定可靠的測量方法；量方法；缺陷：難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄，費(fèi)力、缺陷：難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄，費(fèi)力、費(fèi)時(shí)。費(fèi)時(shí)。l3 3、光干涉法：、光干涉法：l光干涉法是將試樣的長度變化量轉(zhuǎn)光干涉法是將試樣的長度變化量轉(zhuǎn)變成光束的光程差，使之在視場中變成光束的光程差，使之在視場中產(chǎn)生干涉條紋相對于參考標(biāo)記的移產(chǎn)生干涉條紋相對于參考標(biāo)記

13、的移動(dòng)，即用一已知單色波長來量度試動(dòng)，即用一已知單色波長來量度試樣的長度變化。光干涉膨脹儀所用樣的長度變化。光干涉膨脹儀所用的干涉方法有幾種類型，其中應(yīng)用的干涉方法有幾種類型，其中應(yīng)用最多的是最多的是“等厚干涉和等厚干涉和“等傾干等傾干涉兩種。涉兩種。4 4、X X光法：光法：X X光法是利用測量晶胞內(nèi)晶格常數(shù)變化的方法來光法是利用測量晶胞內(nèi)晶格常數(shù)變化的方法來測量熱膨脹系數(shù)的，其主要方法有粉末照像法，測量熱膨脹系數(shù)的，其主要方法有粉末照像法，衍射儀法和單晶法等。衍射儀法和單晶法等。X X光法測量膨脹系數(shù)：光法測量膨脹系數(shù)：優(yōu)點(diǎn)：試樣極小且不規(guī)則，對不能加工的材料優(yōu)點(diǎn)：試樣極小且不規(guī)則，對不能

14、加工的材料有特別的意義。有特別的意義。X X光所測點(diǎn)陣常數(shù)的變化，真實(shí)光所測點(diǎn)陣常數(shù)的變化，真實(shí)地反映了被測晶體的熱膨脹，不會因試樣中某地反映了被測晶體的熱膨脹，不會因試樣中某些雜質(zhì)和缺陷的存在影響測量結(jié)果。能測量單些雜質(zhì)和缺陷的存在影響測量結(jié)果。能測量單晶的熱膨脹和各向異性的熱膨脹而不需要制備晶的熱膨脹和各向異性的熱膨脹而不需要制備單晶試樣。單晶試樣。缺陷：不能連續(xù)測量在溫度變化過程中膨脹量缺陷：不能連續(xù)測量在溫度變化過程中膨脹量的不連續(xù)變化。的不連續(xù)變化。5、電容法：該法的原理是電容器兩極間距離的變化，在一定范圍內(nèi)與電容量的變化存在線性關(guān)系，若以試樣為電容的一極，由于試樣的膨脹使極間距離發(fā)

15、生變化，測出電容量的變化，即可求得試樣的膨脹系數(shù)，這一方法非常精密，多用在低溫下測量膨脹量較小、或者試驗(yàn)溫度較窄的情況下使用。1、千分表 2、支架 3、冷卻水套 4、頂桿 5、試樣載管 6、耐火材料 7、爐體 8、試樣將試樣的膨脹將試樣的膨脹量通過一根與量通過一根與試樣載管的材試樣載管的材質(zhì)相同且膨脹質(zhì)相同且膨脹系數(shù)很小的頂系數(shù)很小的頂桿傳遞出來，桿傳遞出來，用千分表、差用千分表、差動(dòng)變壓器或其動(dòng)變壓器或其它測量儀器檢它測量儀器檢測測 第三節(jié)第三節(jié) 材料的熱傳導(dǎo)材料的熱傳導(dǎo)物體的各部分之間不發(fā)生相對位移，依靠內(nèi)部微觀粒子原子、分子、離子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱熱傳導(dǎo)）。 導(dǎo)熱特點(diǎn)導(dǎo)熱特點(diǎn) 1)1)物體之間不發(fā)生宏觀相物體之間不發(fā)生宏觀相對位移對位移2)2)依靠微觀粒子分子、依靠微觀粒子分子、原子、電子等的無規(guī)則原子、電子等的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)3)3)是物質(zhì)的固有本質(zhì)是物質(zhì)的固有本質(zhì)導(dǎo)熱基本定律-Fouriers law（1）的意義:熱量傳遞指向溫度降低的方向（2） :通過該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量,指向溫度