文档介绍：材料热学性能
热容的定义,热容的来源以及热容随温度的变化规律
热容:是问题温度每升高1K,物质所需要增加的能量被称为热容。
热容的来源:温度升高导致原子热振动加剧,点阵离子振动以及体积膨胀需要向外做功,同时自由电子对热容也有贡献,但只在温度极端的情况下才发生。
热容随温度的变化规律:热容反映了材料从周围环境吸收能量的能力,不同温度时,热容不同。定容热容与定压热容有相似规律。
当温度较高时,定压热容变化趋势平缓
当温度较低时,定压热容与T3成正比;
当温度趋于0K时,定压热容与T成正比;
当温度等于0K是,定压热容也等于0K。
热容的德拜模型以及其局限性
答:晶格点阵结构对热容的作用主要表现在弹性波的振动上,即波长较长的声频支的振动在低温下起主导作用,由于声频支的波长大于晶格常数,故可以将晶格看成是连续的介质,声频支也可以看成是连续的具有0-Wmax的谱带的振动。
由此,可导出定压热容的公式:Cv,m=12/5π4R(T/θD)3
由此公式可得:
1)当温度大于德拜温度时,即处于高温区,定压热容=3R,与实验结果相符合;2)当温度小于德拜温度时,定压热容与T3成正比,比爱因斯坦模型更接近于实验结果;3)当温差极低时(趋近于0K时),定压热容趋近于0,大体与实验结果相符。
德拜模型的局限性:
因为德拜模型把晶格点阵考虑成连续的介质,故对于原子振动频率较高的部分并不适用,故德拜模型对于一些化合物的计算与实验结果不相符;2)对于金属类晶体,忽略了自由电子的贡献,所以在极端温度条件下与实验结果不符;3)解释不了超导现象。
热膨胀的定义及其物理机制
热膨胀:热膨胀是指随着温度的升高,材料发生体积或者长度增大的现象。
热膨胀的物理机制:随着温度的升高,晶体中的的原子振动加剧,相邻原子之间的平衡间距也随温度的变化而变化,因此温度升高产生热膨胀的现象。
热膨胀与其他物理量之间的关系。
热膨胀是原子间结合力的体现,原子间的结合力越大,热膨胀系数越小。
热膨胀系数与热容的关系:热膨胀系数与热容成正比,有相似的温度依赖关系。
热膨胀系数与熔点的关系:熔点越高,原子间的结合力越大,热膨胀系数与熔点成反比。
热膨胀系数与德拜温度之间的关系:德拜温度越高,热膨胀系数越小,德拜温度越高,原子间的结合力越大。
热膨胀系数与原子序数的关系:对于第一主族,原子序数增加热膨胀系数增加。对于其他主族元素,原子序数增加热膨胀系数降低。
影响材料热膨胀系数的因素
相变的影响:一级相变有相变潜热,有体积突变,热容和热膨胀系数发生突变。
二级相变没有相变潜热,没有体积突变,热容和热膨胀系数发生突变。
成分和组织的影响:1)对于固溶体:与溶质元素的热膨胀系数有关,如果溶质元素的热膨胀系数高于溶剂基体,将增大热膨胀系数;2)相同结构的晶型:排列紧密的热膨胀系数大。3)铁磁性转变的影响。4)晶体各向异性的影响。
材料热传导的定义以及其机制(按金属、半导体、绝缘体划分)
热传导的定义:两个不同温度的物质或区域在相互接触或靠近时,会以传热的形式产生能量的传递,此过程被称为热传导
热传导的机制:热传导的载体主要有三种:1)声子传导;2)电子传导;3)光子传导。
金属的导热机制:电子传导为主;
半导体的导热机制:声子传导和电子传导作用大体相当;
绝缘体的导热机制:声子传导占主要的地位。
影响热传导的因素
答:对金属热传导的主要由两种原因:1)声子的阻碍2)缺陷的阻碍。
温度对金属热传导的影响:高温下,金属热传导的阻碍作用主要以声子为主;低温下,缺陷阻挡起主要作用;中温:声子阻挡和缺陷阻挡痛失存在;
对于纯金属来说:只有声子阻挡,温度升高电子的平均自由程,一般热导率随温度的升高而降低。
对于合金来说:存在声子阻挡和缺陷阻挡,由于异类原子的存在,温度对电子平均自由程的影响很小,故热导率随温度的升高而升高。
对于玻璃态来说:一般有热导率随温度升高而增大的规律。
原子结构对热传导的影响:金属的电导率越高,热导率也越高。
合金成分和晶体结构对热导率的影响:合金中加入杂质元素使杂质缺陷形成增加热阻挡作用,使导热率降低,杂质原子原子和金属原子结构差异越大,影响越大。
气孔率对热导率的影响:有气孔率越大,热导率越低。
热稳定性的定义、分类和影响热稳定性的因素
热稳定性的定义:物质承受温度急剧变化而不发生破坏的能力。
热稳定性的分类:1)在热循环冲击的作用下,物质表面发生脱落,并不断发展最终形成变质或碎裂,抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击损伤性;2)材料发生瞬时断裂,抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击断裂性。
影响热应力的因素:热应力影响材料断裂破坏,还涉及材料的散热问题,散热使热应力得到缓解。
材料的热