第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容5.1.1固體熱容理論一、杜隆—珀替定律鍺和硅的摩爾熱容第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容二、愛因斯坦理論引入點陣振動能量量子化的概念，把晶體陣點上的原子看作獨立的諧振子，以相同的頻率作互不依賴的振動，得到晶體的摩爾熱容：第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容熱容的愛因斯坦模型理論值與實驗值的比較第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容三、德拜理論晶體中各原子間存在看彈性斥力和引力。這種力使原子的熱振動相互受著牽連和制約，從而達到相鄰原子間協調齊步地振動，并認為每個諧振子的頻率不同．存在的頻率范圍從零到某一最大值。每一頻率的諧振子都以波的形式在點陣中傳播。晶體中的點陣波是所有原子以其各自的頻率，彼此間存在一定相位差而振動的集體運動。德拜模型第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容德拜熱容公式為：第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容德拜模型理論值與實驗值的比較德拜模型比起愛因斯坦模型有了很大的進步，但由于德拜把晶體看成連續介質，對于原子振動頻率較高的部分不適用，故德拜理論對一些化合物的熱容計算與實驗不符。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容德拜溫度：原子體積德拜溫度是反映原子間結合力的又一重要物理量。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容5.1.2金屬與合金的熱容(1)自由電子對熱容的貢獻金屬的熱容由點陣振動和自由電子兩部分的貢獻組成，即常溫時與點陣振動對熱容的貢獻相比，電子的貢獻微不足道，但在極高溫和極低溫條件下則不可忽略。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容固態化合物分子熱容C，是由組元原子熱容按比例相加而得，其數學表達式為：(2)合金的熱容稱為奈曼—考普定律注：不適用于低溫體條件（溫度低于德拜溫度）或鐵磁性合金。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容5.1.3相變對熱容的貢獻一級相變：二級相變：第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容5.1.4熱分析一、差熱分析(DAT)差熱分析法是在測定熱分析曲線的同時，利用差熱電偶測定待測試樣和標準試樣的溫差而得到的。熱分析法大體分為：普通熱分析、差熱分析和微分熱分析普通熱分析法就是簡單地測定加熱或冷卻過程中溫度隨時間變化的熱分析曲線，用于確定材料的結晶、熔化溫度或溫區。儀器thermalanalysis樣品參比物電熱絲熱電偶金屬第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容差熱分析原理示意圖原理thermalanalysis恒定加熱速率時，測樣品溫度的變化速率通常T穩速上升，熔化或吸/放熱反應T平臺參比物：在所測范圍內不發生任何熱效應記錄樣品與參比物之間的溫差Al2O3

差熱儀爐子供給的熱量為Q

試樣無熱效應時：QSQRTS=TRΔT=0

試樣吸熱效應時：(Q－g)SQR

TS＜TRΔT＜0

試樣放熱效應時：(Q＋g)S

QRTS＞TRΔT＞0

在上面三種狀態下其EAB=f(ΔT)就有三個不同值，帶動記錄筆就可畫出DTA曲線。返回典型的DTA曲線thermalanalysis差熱曲線的分析差熱曲線中峰的數目、位置、方向、高度、寬度和面積等均具有一定的意義。比如，峰的數目表示在測溫范圍內試樣發生變化的次數；峰的位置對應于試樣發生變化的溫度；峰的方向則指示變化是吸熱還是放熱；峰的面積表示熱效應的大小等等。因此，根據差熱曲線的情況就可以對試樣進行具體分析，得出有關信息。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容二、微分熱分析為了測定焊接、軋制、淬火等連續、快速冷卻條件下金屬材料的相變點，可以采用微分熱分析。這種方法主要是測定試樣溫度隨時間的變化率dT／dt。三、差示掃描量熱法(DAT)既可測定相變溫度又可進行相變潛熱的定量分析．所用的試樣只需幾毫克碎料即可．已廣泛用于各種無機材料的研究中。第五章材料的熱學性能

第一節材料的熱容差示掃描量熱法——

DSC（DifferentialScanningCalorimetry）

DTA技術具有快速簡便等優點，但其缺點是重復性較差，分辨率不夠高，其熱量的定量也較為復雜。1964年，美國的Waston

和O’Neill在分析化學雜志上首次提出了差示掃描量熱法（DSC）的概念，并自制了DSC儀器。不久，美國Perkin-Elmer公司研制生產的DSC-I型商品儀器問世。隨后，DSC技術得到迅速發展，到1976年，DSC方法的使用比例已達13.3%，而在1984已超過20%（當時DTA為18.2%），到1986年已超過1/3。到目前為止，DSC堪稱熱分析三大技術（TG，DTA，DSC）中的主要技術之一。近些年來，DSC技術又取得了突破性進展，其標志是，幾十年來被認為難以突破的最高試驗溫度——700℃，已被提高到1650℃，從而極大地拓寬了它的應用前景。差示掃描量熱法（DSC）

的基本原理差示掃描量熱法（DSC）是在溫度程序控制下，測量輸給物質和參比物的功率差與溫度關系的一種技術。根據測量方法，這種技術可分為功率補償式差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。對于功率補償型DSC技術要求試樣和參比物溫度，無論試樣吸熱或放熱都要處于動態零位平衡狀態，使ΔT等于0，這是DSC和DTA技術最本質的區別。而實現使ΔT等于0，其辦法就是通過功率補償。對于熱流式DSC技術則要求試樣和參比物溫差ΔT與試樣和參比物間熱流量差成正比例關系。請同學們看書P227功率補償型DSC示意圖S——試樣；R——參比物其主要特點是試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和傳感器。整個儀器由兩個控制系統進行監控。其中一個控制溫度，使試樣和參比物在預定的速率下升溫或降溫；另一個用于補償試樣和參比物之間所產生的溫差。這個溫差是由試樣的放熱或吸熱效應產生的。通過功率補償使試樣和參比物的溫度保持相同，這樣就可以補償的功率直接求算熱流率返回差示掃描量熱DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysis差示量熱計代替加熱爐樣品和參比物各自獨力加熱分析曲線與DTA相同，但更準確產生溫差用繼電器啟動功率補償，保持同溫應用：測反應焓、比熱應用：觀察熔點降低，測高純有機物中雜質差示掃描量熱DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysisCuSO4·5H2ODSCDTA差示掃描量熱DSCDifferentialscanningcalorimetrythermalanalysis有機物含量測定應用醋氨酚(雜質為4－氨基酚)的DSC曲線熔化的峰溫、峰高均隨雜質增多而降低據此可進行純度測定第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹5.2.1熱膨脹的物理本質點陣結構中的質點間平均距離隨溫度升高而增大。原子的非簡諧振動指材料的長度或體積在不加應力時隨溫度的升高而變大的現象晶體質點引力－斥力曲線和位能曲線第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹采用玻爾茲曼統計法，得出平均位移：第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹第二節熱膨脹雙原子相互作用勢能曲線第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹5.2.2熱膨脹系數與電阻溫度系數的定義一樣，金屬材料在不出現相變和磁性轉變的情況下，試樣長度隨溫度的變化可以近似地表示成線性關系：ΔT和Δl趨向于零，且溫度為T時材料的真線膨脹系數膨脹的應用隨溫度的改變而彎曲的雙金屬片，在相同的溫度改變下，黃銅的膨脹和收縮量都比鋼來的大。利用雙金屬片的彎曲來導通或切斷電流。黃銅鋼室溫冷熱第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹熱膨脹曲線與熱容曲線比較5.2.3熱膨脹系數與其它物理量的關系1、與熱容的關系第五章材料的熱學性能

第二節熱膨脹2、與金屬熔點的關系經驗公式為：3、膨脹系數隨元素的原子序數呈明顯周期性變化5.2.4影響熱膨脹的因素一、合金成分和相變二、晶體缺陷三、晶體的各向異性四、鐵磁性轉變第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導5.3.1熱傳導的定義熱傳導是指材料中的熱量自動地從熱端傳向冷端的現象。傅里葉導熱定律：熱導率（導熱系數）只適用于穩態熱傳導第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導熱傳導過程不穩定的情況：截面上各點的溫度變化率：熱擴散率（導溫系數）它標志溫度變化的速率熱阻定義：熱流量通過的截面所具有的溫度差5.3.2熱傳導的微觀機制第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導固體中的導熱主要是靠晶格振動的格波（也就是聲子）和自由電子的運動來實現的。如果固體的熱導率為κ，則

κ

＝κph+κe

κph為聲子熱導率，κe為電子熱導率第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導1．電子熱傳導一、金屬材料的熱傳導：純金屬電子熱導率

合金電子和聲子5.3.3實際材料的熱導率第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導2．熱導率和電導率的關系在不太低的溫度下，金屬熱導率與電導率之比正比于溫度，稱為魏德曼－夫蘭茲定律：第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導3．熱導率及其影響因素（1）純金屬導熱性溫度晶粒大小晶系雜質第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導（2）合金的導熱性第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導無序有序二、無機非金屬材料的熱傳導1.熱傳導的微觀機制主要是聲子導熱第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導聲子熱傳導當材料中某一質點處于較高溫度時，其熱振動較強烈，振幅較大，而鄰近質點溫度較低，熱振動較弱；由于質點間有相互作用力，振動較弱的質點在振動較強的質點影響下，振動加劇，熱運動能量增加，由此熱量就能轉移和傳遞，從溫度較高處傳向較低處，從而產生熱傳導現象．第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導光子熱傳導高溫時明顯高溫時材料中分子、原子和電子的振動、轉動等運動狀態的改變，會輻射出頻率較高的電磁波頻譜，其中波長在0.4—40μm間的可見光和近紅外光具有較強的熱效應，稱其為熱射線，其傳遞過程為熱輻射。2.熱導率的影響因素第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導（1）溫度的影響（2）化學組分的影響（3）晶體結構的影響第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導（4）晶粒大小和各向異性的影響（5）非晶體的熱導率第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導三、有機高分子材料的熱導率：主要是通過分子與分子碰撞來進行，一般熱導率和電導率都很低，通常用作絕熱材料。第五章材料的熱學性能

第三節熱傳導第五章材料的熱學性能

第四節熱電性5.3.4材料的熱電性在溫差較小時，電動勢與溫度差有線性關系：一、賽貝克效應塞貝克效應當兩種不同材料A和B（導體和半導體）組成回路，且兩接觸處溫度不同時，則在回路中存在電動勢。這種效應稱賽貝克效應。（1）接觸電動勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴散到B的電子將比由B擴散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負電，在接觸處便產生電場。A、B之間便產生了一定的接觸電動勢。接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關。對于溫度為T的接點，有下列接觸電動勢公式：上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導體中的電子密度有關。（2）溫差電動勢對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。溫差電動勢的大小取決于導體的材料及兩端的溫度。第五章材料的熱學性能

溫差熱電勢系數產生示意圖第四節熱電性導體A兩端的溫差電動勢可用下式表示：eA（T，T0）——導體A兩端溫度分別為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0——高、低溫端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢。同樣導體B兩端的溫差電動勢如下式所示：ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)回路總電動勢由于在金屬中自由電子數目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。在標定熱電偶時，一般使T0為常數，則①熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關。熱電偶基本性質②只有用不同性質的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產生熱電動勢。因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有當熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產生；當熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。④導體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使eAB（T0）=常數，則回路熱電動勢EAB（T，T0

）就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。⑤對于有幾種不同材料串聯組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：第五章材料的熱學性能

①要確定塞貝克熱電勢的大小必須保證A、B兩種材料的化學成分和物理狀態完全均勻，否則將要疊加一個難以確定的附加電勢。這一規律有時稱為均質導體定律；與塞貝克效應相關的基本規律是：第四節熱電性反之，如果有熱電動勢產生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。根據這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。②如果在回路中引入第三種金屬導體．那么只要第三種金屬接入的兩端溫度相同，則對原回路所產生的熱電勢將不發生影響，這個規律稱為中間導體定律。第五章材料的熱學性能

第四節熱電性T0T0BTAC③只要兩種材料均質，兩端溫度恒定，即使回路中某一部分處于任何其他溫度，原回路產生的熱電勢不變。這一規律稱為中間溫度定律。第五章材料的熱學性能

第四節熱電性標準電極定律如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BCABTTnTnCDT0T0M二、珀耳帖效應第五章材料的熱學性能

當兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過時，將使兩種金屬的其中一接頭放熱，另一接頭處吸熱。電流方向相反，則吸放熱接頭改變，這種效應稱為珀耳帖效應它滿足下式：第四節熱電性第五章材料的熱學性能

三、湯姆遜效應具有溫度梯度的一根均勻導體通過電流時，會產生吸熱和放熱現象，即湯姆遜效應。設湯姆遜熱效應產生的熱吸收率為qA，則導體A的湯姆遜系數第四節熱電性(a)均勻導體形成溫度差(b)電流通過有溫度差的導體產生吸熱和放熱第五章材料的熱學性能

第四節熱電性五、熱電性的應用及其熱電材料熱電極的三種熱電性質：（1）它的熱電勢與溫度關系具有良好的線性關系。（2）具有大的熱電勢系數S。（3）材料性質具有復制性和溫度—熱電勢關系的穩定性。材料的熱容小結德拜理論德拜溫度金屬和合金的熱容、陶瓷材料的熱容差熱分析熱分析差示掃描量熱法材料的熱膨脹熱膨脹的物理本質雙原子勢能曲線模型解釋膨脹系數與其他物理量的關系熱容熔點原子序數硬度影響因素：合金成分、相變、缺陷、各向異性材料的導熱性宏觀物理參數穩態：熱導率非穩態導溫系數熱阻微觀機制金屬的熱傳導純金屬、合金與電導率的關系影響因素純金屬溫度晶粒度各向異性雜質合金無序有序無機非金屬材料聲子導熱光子導熱:材料關系:溫度關系）材料的熱電性第六章材料的彈性與滯彈性彈性的物理本質胡克定律彈性模量及其影響因素滯彈性與內耗滯彈性內耗第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性6.1.1胡克定律對于各向同性物體，由單向拉伸實驗已經證明，應力σ和應變ε之間具有線性關系：彈性模量（楊氏模量）反映材料抵抗正應變的能力泊松比反映材料橫向正應變與受力方向線應變的相對比值。第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性在單向切變條件下，切應力τ和切應變γ之間有關切變模量反映材料抵抗切應變的能力單元體一般應力狀態第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性剛度常數柔順常數廣義胡克定律：第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性6.1.2彈性模量的影響因素一、原子結構的影響二、溫度的影響彈性模量值(主要是正彈性摸量E)和晶體點陣常數相聯系的經驗公式:隨著溫度的升高材料發生熱膨脹現象，原子間結合力減弱，因此金屆與合金的彈性模量將要降低。第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性彈性模量E的溫度系數η和線膨脹(溫度)系數α的關系為：彈性模量E的溫度系數線膨脹(溫度)系數第六章材料的彈性與滯彈性第一節彈性三、相變的影響第六章材料的彈性與滯彈性