《材料性能學(xué)》PPT課件.ppt

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1、復(fù) 習(xí) 蠕 變 一 般 規(guī) 律 ： 約 比 溫 度 、 蠕 變 三 階 段 蠕 變 變 形 的 三 種 機(jī) 理 ： 位 錯 滑 移 、 原 子 擴(kuò) 散 、 晶 界 滑 動 蠕 變 斷 裂 機(jī) 理 ： 晶 間 斷 裂 、 等 強(qiáng) 溫 度 、 斷 口 特 征 蠕 變 極 限 ： 、 持 久 強(qiáng) 度 ： 松 弛 穩(wěn) 定 性 ： sh 蠕 變 性 能 的 影 響 因 素 ： 化 學(xué) 成 分 、 組 織 結(jié) 構(gòu) 、 晶 粒 尺 寸 、 外 部 因 素2021-4-20 1T /T tTt 第 八 章 材 料 的 熱 學(xué) 性 能 河 海 大 學(xué) 機(jī) 電 工 程 學(xué) 院充 分 認(rèn) 識 環(huán) 境 的 作 用 ，

2、 與 優(yōu) 秀 人 士 交 往 、 向 頂 尖 人 士 學(xué) 習(xí) 。 本 章 主 要 內(nèi) 容 介 紹 材 料 的 熱 容 、 熱 膨 脹 和 熱 傳 導(dǎo) 機(jī) 理 、 材 料的 熱 容 、 熱 膨 脹 和 熱 傳 導(dǎo) 性 能 的 影 響 因 素 、 材料 的 熱 容 、 熱 膨 脹 和 熱 傳 導(dǎo) 的 測 試 方 法 以 及 在工 程 中 的 應(yīng) 用 。 重 點(diǎn) 要 掌 握 材 料 熱 容 、 熱 膨 脹 和 熱 傳 導(dǎo) 的 測 試和 應(yīng) 用 。 2021-4-20 3 熱 學(xué) 性 能 的 物 理 基 礎(chǔ) 晶 格 熱 振 動 格 波 、 彈 性 波 2021-4-20 4 簡 諧 振 動 方 程低

3、頻 率 高 頻 率 第 一 節(jié) 熱 容一 、 熱 容 的 基 本 概 念 在 沒 有 相 變 ， 沒 有 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 沒 有 對 外 熱 交 換 ，物 體 溫 度 升 高 1K所 吸 收 的 熱 量 （ Q） 稱 做 該 物 體的 熱 容 ， 單 位 為 J/K， 表 示 為 ： CT=Q/T 熱 容 稱 為 比 熱 容 或 質(zhì) 量 熱 容 ， 單 位 J/kgK； 摩 爾熱 容 ， 單 位 J/molK。 比 熱 容 是 隨 溫 度 而 變 化 的 ， 一 般 使 用 的 是 平 均 比熱 容 ， 即 C 均 =Q/m(T2-T1)2021-4-20 5 平 均 比 熱 容 測 量

4、方 便 ， 但 比 較 粗 糙 。 (T2-T1)范 圍越 大 ， 精 度 越 差 ， 超 出 范 圍 ， 誤 差 可 能 更 大 。 當(dāng) T2無 限 接 近 T1時 ， 為 材 料 在 T1時 的 比 熱 容 ： 恒 壓 加 熱 時 ， 叫 比 定 壓 熱 容 ， Cp表 示 ； 恒 容 加熱 時 ， 叫 比 定 容 熱 容 ， Cv表 示 。 表 達(dá) 式 為 ： 式 中 ： Q為 熱 量 ， E為 內(nèi) 能 ， H為 焓 。1QT mC 真 （ 8-5） 1 11 1Q Hp pT m T mQ Ev vT m T mCC pv （ ） =（ ） （ 8-6）（ ） =（ ） （ 8-7）2

5、021-4-20 6 二 、 熱 容 理 論 （ 固 體 材 料 、 經(jīng) 驗(yàn) 定 律 ）1、 杜 隆 珀 替 定 律 （ 經(jīng) 典 熱 容 理 論 ） 把 氣 體 分 子 熱 容 理 論 用 于 晶 體 熱 容 。 原 子 在 每一 個 振 動 自 由 度 的 平 均 動 能 和 平 均 位 能 都 是(1/2)kT， 一 個 原 子 有 3個 振 動 自 由 度 ， 平 均 動 能 和位 能 的 總 和 是 3kT， 1mol材 料 中 有 NA個 原 子 ， 則 總能 量 為 ： E = 3NAkT = 3RT 式 中 ， NA為 阿 佛 加 德 羅 常 數(shù) ， T為 絕 對 溫 度 ， k

6、為波 爾 茨 曼 常 數(shù) ， R為 氣 體 普 適 常 數(shù) 。 2021-4-20 7 1mol單 原 子 固 體 物 質(zhì) 的 摩 爾 定 容 熱 容 為 ： 對 于 雙 原 子 固 體 化 合 物 ， 1mol物 質(zhì) 中 的 原 子 數(shù) 是2NA， 則 摩 爾 定 容 熱 容 為 Cv.m= 2 25 J/Kmol 三 原 子 固 態(tài) 化 合 物 的 摩 爾 定 容 熱 容 為 Cv.m=3 25 J/Kmol。 依 次 來 推 。 （ 柯 普 定 律 ） 化 合 物 分 子 熱 容 等 于 構(gòu) 成 此 化 合 物 各 元 素 原 子 熱容 之 和 。v, m v v mol N kTET

7、TC N k R J（ ） （ ） （ ） 2021-4-20 8 杜 隆 珀 替 定 律 的 特 點(diǎn) 高 溫 時 ， 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 符 合 ， 低 溫 時 相 差 很 大 。 實(shí) 際 上 材 料 的 熱 容 是 隨 溫 度 而 變 化 的 ， 定 律 沒 有反 映 熱 容 與 溫 度 的 關(guān) 系 。 熱 容 隨 溫 度 的 變 化 只 能 用 量 子 理 論 來 解 釋 。 2021-4-20 9 2、 愛 因 斯 坦 模 型 愛 因 斯 坦 認(rèn) 為 晶 格 中 每 個 原 子 都 在 獨(dú) 立 地 振 動 ，且 振 動 頻 率 都 相 同 。 引 用 量 子 化 的 概 念 ， 把 原 子

8、振 動 看 作 諧 振 子 ， 可 以 推 導(dǎo) 出 熱 容 與 溫 度 的 關(guān) 系式 ： 22 ev m A e 1=3 h ikTi h ikThkTC N k ， （ ）（ ）2021-4-20 10h為 普 朗 克 常 數(shù) ； i為 諧 振 子 的 振 動 頻 率 愛 因 斯 坦 模 型 的 優(yōu) 點(diǎn) ： Cv， m與 溫 度 T有 關(guān) 。 T趨 于 0K， Cv， m趨 于 0， 與 實(shí) 驗(yàn) 一 致 。愛 因 斯 坦 模 型 的 不 足 ： 在 低 溫 時 ， Cv， m與 溫 度 T成 指 數(shù) 關(guān) 系 ， 而 實(shí) 驗(yàn) 結(jié)果 是 成 T3關(guān) 系 。 2021-4-20 11原 因 ： 原

9、 子 振 動 有 耦 合 作 用 3、 德 拜 理 論 晶 體 中 各 原 子 間 存 在 著 斥 力和 吸 力 ， 這 種 力 使 原 子 的 振動 相 互 受 到 牽 制 ， 使 相 鄰 原子 齊 步 協(xié) 調(diào) 地 振 動 。 晶 體 是 連 續(xù) 介 質(zhì) ， 原 子 振 動譜 為 0max（ 最 大 聲 頻 ） ，高 于 max為 光 頻 范 圍 ， 對 熱容 的 貢 獻(xiàn) 很 小 ， 可 以 忽 略 不計 。 2021-4-20 12 德 拜 理 論 導(dǎo) 出 的 熱 容 表 達(dá) 式 ： 式 中 ： D 4.8 1011max為 德 拜 溫 度 ； 為 德 拜 比 熱 函 數(shù) ， x=h/kT

10、。 德 拜 理 論 導(dǎo) 出 的 熱 容 結(jié) 論 ：（ 1） T較 高 D ， Cv.m3R， 與 杜 隆 珀 替 定 律 一 致（ 2） 當(dāng) T很 低 時 D ， Cv.m與 T3關(guān) 系 ， 與 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 非常 相 符 。 Dv m D=3 8-15TC Rf ， （ ） （ ） 4 D 312v m 5= R TC ， （ ）2021-4-20 13德 拜 T立 方 定 律 u德 拜 模 型 的 不 足 ： 在 低 溫 下 與 實(shí) 際 情 況 還 不 能 完 全 相 符 ； 德 拜 理 論 也 解 釋 不 了 超 導(dǎo) 現(xiàn) 象 ；u產(chǎn) 生 差 異 的 根 源 ： 假 設(shè) 晶 體 是 一

11、個 連 續(xù) 體 ； 除 了 晶 格 振 動 能 外 ， 電 子 運(yùn) 動 能 對 熱 容 也 有 貢 獻(xiàn)u在 一 般 場 合 下 ， 德 拜 理 論 的 精 度 已 經(jīng) 是 足 夠 了 。 2021-4-20 14 三 、 熱 容 的 影 響 因 素1、 對 固 體 材 料 ， 熱 容 與材 料 的 構(gòu) 成 形 式 關(guān) 系 不大 ， 如 CaO 和 SiO 21:1的 混 合 物 與 CaSiO 3(硅石 灰 )的 熱 容 溫 度 曲線 基 本 相 符 。 2021-4-20 15 熱 容 的 影 響 因 素2、 一 級 相 變 （ -Fe-Fe） 、 二 級 相 變 （ 有 序 無序 ） 都

12、影 響 熱 容 。 在 一 級 相 變 轉(zhuǎn) 變 臨 界 點(diǎn) Tc， 熱 容 發(fā) 生 突 變 。 （ a） 二 級 相 變 是 在 一 個 溫 度 范 圍 進(jìn) 行 ， 熱 焓 在 相 變 區(qū) 突然 升 高 ， 熱 容 也 急 劇 增 大 。 （ b） 2021-4-20 16 熱 容 的 影 響 因 素3、 材 料 的 熱 容 與 溫 度 有 關(guān) 。 Cp= Ce+Cg = T + T3 式 中 ： Ce為 電 子 熱 容 ； Cg為 晶 格 熱 容 ； 和 是 與 材 料 熱 容 有 關(guān) 的 常 數(shù) 。 在 溫 度 較 低 時 ， 電 子 熱 容 較 小 ， 熱 容 與 溫度 成 T3的 關(guān)

13、系 ； 當(dāng) 溫 度 較 高 時 ， 晶 格 熱 容 很小 ， 熱 容 與 溫 度 呈 線 性 關(guān) 系 。 2021-4-20 17 熱 容 的 影 響 因 素4、 在 較 高 溫 度 下 ， 固 體 熱 容 具 有 加 和 性 ， 物 質(zhì) 的 摩爾 熱 容 等 于 構(gòu) 成 該 化 合 物 各 元 素 原 子 熱 容 的 總 和 柯 普 定 律 。 C = niCi 式 中 ： ni、 Ci為 分 別 為 化 合 物 中 元 素 i的 原 子 數(shù) 和 摩爾 熱 容 。 該 公 式 對 于 計 算 573K以 上 的 大 多 數(shù) 氧 化 物 和 硅 酸鹽 化 合 物 的 熱 容 具 有 較 好 的

14、 一 致 性 。 把 n i作 為 組 成 相 的 質(zhì) 量 分 數(shù) ， Ci作 為 組 成 相 的 熱 容， 也 可 以 計 算 多 相 合 金 和 復(fù) 合 材 料 的 熱 容 。2021-4-20 18 熱 容 的 影 響 因 素 ： 材 料 構(gòu) 成 形 式 關(guān) 系 不 大 ； 一 級 相 變 、 二 級 相 變 對 材 料 熱 容 的 影 響 不 同 ； 熱 容 與 溫 度 有 關(guān) ； 高 溫 下 固 體 材 料 的 熱 容 具 有 加 和 性 。 2021-4-20 19 四 、 熱 容 的 測 量1、 混 合 法 溫 度 不 同 的 物 體 混 合 ， 熱 量 由 高 溫 物 體 傳

15、輸給 低 溫 物 體 ， 最 后 達(dá) 到 一 均 勻 的 溫 度 。 如 果外 界 沒 有 參 與 熱 交 換 ， 則 高 溫 物 體 放 出 的 熱量 應(yīng) 該 等 于 低 溫 物 體 所 吸 收 的 熱 量 。 2021-4-20 20熱 平 衡 原 理 熱 容 的 測 量 將 質(zhì) 量 為 m、 溫 度 為 T2的 物體 投 到 量 熱 器 水 中 ， 量 熱器 熱 容 為 q， 水 質(zhì) 量 為 m0，比 熱 容 為 c0， 量 熱 器 和 水 原來 溫 度 為 T1， 達(dá) 到 熱 平 衡后 的 溫 度 為 T3。 量 熱 器 與外 界 沒 有 熱 交 換 ： 0 0 3 22 3( )(

16、)( )m c q T Tm T TC 2021-4-20 21 計 算 量 熱 器 熱 容 q： 量 熱 器 和 攪 拌 器 用 相 同 的 材料 ， 質(zhì) 量 為 m1， 比 熱 容 為 c1， 溫 度 計 插 入 水 中 部分 的 體 積 為 V， 則 ： q= m1c1+1.9V 1.9V為 溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 ， 單 位 J/K。 混 合 法 測 量 量 熱 器 熱 容 q： 水 的 質(zhì) 量 為 m1， 量 熱器 和 水 的 溫 度 為 T1， 再 加 入 質(zhì) 量 為 m2、 溫 度 為 T2的 水 ， 攪 拌 均 勻 后 的 溫 度 為 T3， 則 ： 2

17、 0 2 33 1( ) 1 0( )m c T TT Tq mC 熱 容 的 測 量 2021-4-20 22 2、 電 熱 法 電 加 熱 產(chǎn) 生 的 熱 量 等 于 量 熱 器 、 水 及 相 關(guān) 物 體 吸收 的 熱 量 。 熱 容 的 測 量 2021-4-20 23 2、 電 熱 法 加 熱 秒 后 ， 物 體 和 系 統(tǒng) 的 溫 度 從 T1升 到 T2。 熱 平衡 公 式 為 ： VI = (mc+m0c0+ m1c1+q1+ q2) (T2-T1) 轉(zhuǎn) 換 可 得 ： 式 中 ： I為 電 流 ； V為 電 壓 ； m、 c為 被 測 物 體 質(zhì) 量和 比 熱 容 ； m0、

18、 c0為 量 熱 器 中 水 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； m 1、 c1為 量 熱 器 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； q1為 量 熱 器 的 熱 容； q2溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 。2 11 0 0 1 1 1 2( )VIm T TC m C mC q q 熱 容 的 測 量 2021-4-20 24 五 、 熱 容 的 應(yīng) 用 熱 分 析 ： 根 據(jù) 材 料 在 不 同 溫 度 下 發(fā) 生 熱 量 、 質(zhì) 量 、 體 積等 物 理 參 數(shù) 與 材 料 組 織 結(jié) 構(gòu) 之 間 的 關(guān) 系 ， 分 析研 究 材 料 的 方 法 根 據(jù) 材 料 熱 容 的 變 化 來 推

19、斷 材 料 的 相 變 化 。 溫 度 曲 線 測 定 ： 測 定 材 料 在 均 衡 加 熱 或 冷 卻 條件 下 的 加 熱 或 冷 卻 曲 線 。 2021-4-20 25 熱 容 的 應(yīng) 用 差 熱 分 析 （ differential thermal ananlysis， 簡 稱DTA） ： 將 被 測 物 體 （ 試 樣 ） 和 參 照 物 體 （ 熱惰 性 ） 在 相 同 的 條 件 下 加 熱 或 冷 卻 ， 測 量 試 樣與 參 照 物 體 之 間 的 溫 差 （ T） 隨 溫 度 （ T） 或時 間 （ t） 的 關(guān) 系 。 460 480 500 520 540 560

20、58078 91011 1213DSC(mw/mg) 溫 度 ( ) 505.25 531.32 放 熱 200 300 400 500 600 700-0.050.000.05 0.100.150.200.25 0.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94( )放 熱 526.43( )200 300 400 500 600 700-0.050.000.050.100.15 0.200.250.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94( )放 熱 526.43( )2021-4-20 26 其 他 熱 分 析 方 法 ：差 示 掃 描 量 熱 法

21、（ DSC） ；熱 重 法 （ TG） ； 2021-4-20 27 熱 分 析 的 應(yīng) 用 ：（ 1） 建 立 合 金 狀 態(tài) 圖（ 2） 測 定 材 料 中 發(fā) 生 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 相 變 、 熔 化 、 凝 固 、 分 解 等（ 3） 用 失 重 法 可 以 分 析 含 結(jié) 晶 水 物 質(zhì) 的 脫 水 溫 度 2021-4-20 28 第 二 節(jié) 熱 膨 脹一 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 物 體 的 伸 長 和 溫 度 存 在 以 下 關(guān) 系 ： 式 中 ： L1、 L2分 別 代 表 T1、 T2溫 度 時 物 體 的 長度 ， 為 物 體 在 T1T2溫 度 區(qū) 間 的 平 均 線

22、膨 脹系 數(shù) ， 不 是 一 個 常 數(shù) ， 隨 溫 度 而 變 化 。 一般 是 隨 溫 度 升 高 而 增 大 。 2021-4-20 29 2021-4-20 30 物 體 體 積 隨 溫 度 的 增 長 可 表 示 為 ： V2=V11+ V(T2-T1) 設(shè) 材 料 各 向 的 線 膨 脹 系 數(shù) 分 別 為 ： a、 b、 c， 則得 ：V2=La2 Lb2Lc2 = La1 (1+ a T) Lb1(1+ b T) Lc1 (1+ c T) =V1 (1+ a T)(1+ b T)(1+ c T) 忽 略 二 次 方 以 上 的 項(xiàng) ， 得 ： V2= V11+ ( a+ b+

23、c) T 對 于 各 向 同 性 的 材 料 ， V可 以 近 似 為 的 3倍 。 V2=V11+ V(T2-T1)= V11+ 3 T 2021-4-20 31 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格 振 動 理 論 曾 認(rèn) 為 原 子 或離 子 等 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動 ： 溫 度 的升 高 只 能 增 大 振 幅 而 不 能 改變 其 平 衡 位 置 ， 即 質(zhì) 點(diǎn) 間 的距 離 不 會 因 溫 度 的 變 化 而 改變 ， 即 溫 度 的 改 變 不 能 改 變物 體 的 體 積 ， 亦 即 不 會 出 現(xiàn)熱 膨 脹 。 2021-4-20 32 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格

24、 相 鄰 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 作 用 力 是非 線 性 的 和 非 對 稱 的 。 當(dāng) r r0時 ， 斥 力 隨 位 移 增 大得 很 快 ； 當(dāng) r r0時 ， 引 力 隨位 移 的 變 化 要 慢 一 些 。 質(zhì) 點(diǎn)振 動 的 中 心 (平 均 位 置 )不 在r0， 而 是 向 右 移 。 隨 著 溫 度 的 升 高 ， 質(zhì) 點(diǎn) 的 中心 位 置 將 沿 AB變 化 。 溫 度越 高 ， 質(zhì) 點(diǎn) 間 距 離 就 越 大 ，晶 體 的 膨 脹 量 就 越 大 。 2021-4-20 33 熱 膨 脹 與 其 他 性 能 的 關(guān) 系 熱 膨 脹 與 熱 容 的 關(guān) 系 熱 膨 脹 與 結(jié) 合

25、能 、 熔點(diǎn) 的 關(guān) 系 結(jié) 合 力 越 強(qiáng) ， 升 高 相同 溫 度 ， 質(zhì) 點(diǎn) 振 幅 增加 得 越 少 ， 熱 膨 脹 系數(shù) 也 越 小 。 2021-4-20 34晶 體 熱 膨 脹 極 限 方 程 三 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 的 測 定（ 1） 望 遠(yuǎn) 鏡 （ 放 大 鏡 ） 直 讀 法 ： 將 試 樣 在 加 熱 爐 內(nèi)按 規(guī) 定 程 序 加 熱 升 溫 ， 用 放 大 倍 率 大 于 10倍 以 上的 望 遠(yuǎn) 鏡 直 接 讀 出 試 樣 的 長 度 。 從 室 溫 至 試 驗(yàn) 溫 度 的 線 膨 脹 速 率 ： 2021-4-20 35 （ 2） 頂 桿 式 間 接 法 ： 將

26、試 樣 裝 在 樣 管 內(nèi) ， 用 頂 桿 將試 樣 壓 住 ， 頂 桿 與 位 移 傳 感 器 或 千 分 表 連 接 。 用精 密 溫 度 控 制 儀 器 按 規(guī) 定 的 升 溫 速 率 加 熱 ， 并 通過 位 移 傳 感 器 或 者 千 分 表 測 量 試 樣 的 線 膨 脹 。 2021-4-20 36 （ 3） 光 杠 桿 法 ： 將 金 屬 試 樣 直 立 放 在 線 膨 脹 測 定 儀的 金 屬 筒 內(nèi) ， 將 光 杠 桿 的 后 足 置 于 金 屬 試 樣 的 上端 ， 二 前 足 置 于 儀 器 的 固 定 臺 上 。 根 據(jù) 光 杠 桿 原 理 可 得 試 樣 的 伸 長

27、 量 ： 2021-4-20 37 四 、 熱 膨 脹 的 應(yīng) 用 雙 金 屬 控 溫 器 機(jī) 械 裝 配 （ 過 盈 配 合 ） 復(fù) 合 材 料 ： Al/石 墨 纖 維 ； Al/70Si； Al/SiC 釉 和 陶 瓷 的 膨 脹 系 數(shù) 。 釉 的 膨 脹 系 數(shù) 比 陶 瓷 要 適當(dāng) 小 一 點(diǎn) ， 使 陶 瓷 坯 內(nèi) 產(chǎn) 生 一 定 的 壓 應(yīng) 力 。 不 同 材 料 組 成 的 部 件 或 系 統(tǒng) ， 如 鋁 合 金 齒 輪 箱 ，鋼 軸 、 鋁 箱 體 ， 易 漏 油 ； 鑄 鐵 缸 套 /鋁 活 塞 ， 高 溫工 作 ， 配 合 間 隙 增 大 ， 運(yùn) 動 過 程 中 震 動

28、 增 加 。 測 定 合 金 組 織 變 化 ， 利 用 相 變 產(chǎn) 生 體 積 變 化 現(xiàn) 象， 測 定 組 織 轉(zhuǎn) 變 的 開 始 和 結(jié) 束 溫 度 、 轉(zhuǎn) 變 率 等 。 2021-4-20 38 第 三 節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 當(dāng) 固 體 材 料 的 一 端 溫 度 高 于 另 一 端 時 ， 熱 量 就會 自 動 地 從 高 溫 端 流 向 低 溫 端 。 設(shè) 熱 量 的 流 動 方向 為 x， 垂 直 于 x方 向 的 截 面 積 為 S， 則 在 t時間 內(nèi) 沿 x軸 通 過 S截 面 的 熱 量 是 ： 式 中 ： dT/dx為 溫 度 梯 度 ； 為 導(dǎo) 熱 系 數(shù) ， 單 位 為

29、W/(mK)或 J/(msK)； （ -） 號 表 示 熱 量 的 傳 導(dǎo)方 向 與 溫 度 梯 度 （ dT/dx） 相 反 。 2021-4-20 39 一 、 熱 傳 導(dǎo) 的 微 觀 機(jī) 理 氣 體 的 傳 熱 主 要 是 靠 分 子 的 相 互 碰 撞 來 實(shí) 現(xiàn) 的 ，固 體 材 料 的 質(zhì) 點(diǎn) 不 能 像 氣 體 分 子 那 樣 自 由 運(yùn) 動 ， 不能 靠 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 直 接 碰 撞 來 傳 遞 能 量 。 固 體 材 料 的 導(dǎo) 熱 方 式 ： 自 由 電 子 的 運(yùn) 動 導(dǎo) 熱 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 光 子 輻 射 傳 熱 2021-4-20 40 自 由 電 子 運(yùn)

30、動 導(dǎo) 熱 高 溫 度 區(qū) 域 ， 原 子 和 電 子 的能 量 高 ， 但 原 子 核 和 其 大 部 分 電 子 只 能 是 在 其 平衡 位 置 作 振 動 ， 只 有 外 層 電 子 可 以 脫 離 原 子 核 的束 縛 ， 成 為 自 由 電 子 ， 作 較 大 范 圍 的 運(yùn) 動 ， 把 能量 從 高 溫 區(qū) 帶 到 低 溫 區(qū) 。 如 果 把 自 由 電 子 設(shè) 想 成像 氣 體 一 樣 在 金 屬 中 自 由 運(yùn) 動 ， 則 得 金 屬 的 電 子導(dǎo) 熱 率 為 ： e=Ceele/3 式 中 ： Ce為 單 位 體 積 的 電 子 熱 容 ； e為 自 由 電 子的 平 均

31、運(yùn) 動 速 度 ； le為 自 由 電 子 運(yùn) 動 平 均 自 由 程。 e為 自 由 電 子 運(yùn) 動 導(dǎo) 熱 率 。2021-4-20 41 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 原 子 振 動 不 是 完 全 自 由 的 和 獨(dú) 立 的， 相 鄰 原 子 之 間 存 在 制 約 ， 原 子 振 動 能 通 過 波 的 形式 （ 稱 為 格 波 ） 傳 輸 。 物 體 各 部 位 的 溫 度 不 同 ， 原子 的 振 動 能 量 就 不 等 ， 那 么 這 種 原 子 振 動 引 起 的 格波 ， 將 會 使 能 量 分 布 均 勻 化 ， 即 傳 熱 。 這 種 能 量 的傳 輸 方 式 稱 為 聲 子

32、 傳 熱 。 =Cl/3 式 中 ： C為 單 位 體 積 的 聲 子 熱 容 （ 晶 格 振 動 熱 容 ）； 為 聲 子 平 均 速 度 ； l為 聲 子 運(yùn) 動 平 均 自 由 程 。 為 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 或 聲 子 導(dǎo) 熱 率 。 2021-4-20 42 光 子 導(dǎo) 熱 固 體 材 料 除 了 自 由 電 子 和 聲 子 導(dǎo) 熱 外 ，還 有 光 子 的 導(dǎo) 熱 。 固 體 材 料 會 輻 射 出 頻 率 較 高 的 電磁 波 ， 其 中 波 長 在 0.440m的 可 見 光 與 部 分 紅 外 線光 稱 為 熱 射 線 。 熱 射 線 的 傳 遞 稱 為 熱 輻 射 ，

33、即 光 子的 導(dǎo) 熱 。 光 子 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： r=16n2T3lr/3 式 中 ： 為 斯 帝 芬 -波 爾 次 曼 常 數(shù) ； n為 折 射 率 ； T為物 體 的 溫 度 ； lr為 輻 射 線 光 子 的 平 均 自 由 程 。 2021-4-20 43 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： =e +r = （ Ceele +Cl+16n2T3lr） /3 金 屬 材 料 由 于 存 在 大 量 的 自 由 電 子 ， 靠 自 由 電 子 的 運(yùn)動 能 迅 速 地 傳 遞 熱 能 ， 金 屬 材 料 的 導(dǎo) 熱 主 要 靠 自 由 電子 的 運(yùn) 動 ， 晶 格 的 振 動 對 其

34、導(dǎo) 熱 有 一 定 的 貢 獻(xiàn) ， 但 起的 作 用 較 小 。 另 外 金 屬 材 料 一 般 具 有 較 高 的 導(dǎo) 熱 率 。一 般 金 屬 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： =e += （ Ceele +Cl） /3 非 金 屬 材 料 ， 如 一 般 離 子 晶 體 ， 晶 格 中 的 自 由 電 子 很少 ， 晶 格 振 動 是 非 金 屬 材 料 的 主 要 導(dǎo) 熱 方 式 。 2021-4-20 44 二 、 影 響 材 料 熱 傳 導(dǎo) 性 能 的 因 素1、 溫 度 ： 溫 度 升 高 振 動 加 劇 ， 但 阻 力 增 加 。 2、 晶 體 結(jié) 構(gòu) ： 結(jié) 構(gòu) 越 復(fù) 雜 ，

35、 晶 格 振 動 的 非 諧 性 程 度越 大 ， 格 波 散 射 愈 大 ， 聲 子 平 均 自 由 程 就 越 小 ，導(dǎo) 熱 率 就 愈 低 。 因 晶 格 結(jié) 構(gòu) 的 方 向 性 ， 導(dǎo) 熱 率 存 在 方 向 性 。3、 化 學(xué) 組 成 ： 溶 質(zhì) 濃 度 增 加 ， 導(dǎo) 熱 率 降 低 ， 如 鋼 中合 金 元 素 含 量 越 高 ， 其 導(dǎo) 熱 率 越 低 。 當(dāng) 兩 合 金 組元 形 成 連 續(xù) 互 溶 固 溶 體 時 ， 導(dǎo) 熱 率 在 原 子 濃 度50%處 達(dá) 到 最 低 值 。4、 復(fù) 相 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 2021-4-20 45 三 、 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 的 應(yīng)

36、用（ 1） 保 溫 材 料 。 熱 工 設(shè) 備 上 應(yīng) 用 到 大 量 的 保 溫 材 料 ，如 多 孔 輕 質(zhì) 耐 火 磚（ 2） 絕 熱 發(fā) 動 機(jī) 用 材 料（ 3） 導(dǎo) 熱 材 料 。 熱 交 換 器 中 的 高 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 材 料 。（ 4） 鑄 造 生 產(chǎn) 中 的 冷 鐵（ 5） 航 空 航 天 中 應(yīng) 用 到 的 一 些 材 料 、 核 反 應(yīng) 堆 材 料 和電 子 信 息 材 料 等 。 2021-4-20 46 作 業(yè) 名 詞 解 釋 ： 杜 隆 珀 替 定 律 ， 柯 普 定 律 ， 熱容 敘 述 固 體 的 三 種 導(dǎo) 熱 方 式 。 敘 述 熱 膨 脹 的 機(jī) 理

37、。 2021-4-20 47 四 、 熱 容 的 測 量1、 混 合 法 溫 度 不 同 的 物 體 混 合 ， 熱 量 由 高 溫 物 體 傳 輸給 低 溫 物 體 ， 最 后 達(dá) 到 一 均 勻 的 溫 度 。 如 果外 界 沒 有 參 與 熱 交 換 ， 則 高 溫 物 體 放 出 的 熱量 應(yīng) 該 等 于 低 溫 物 體 所 吸 收 的 熱 量 。 2021-4-20 48熱 平 衡 原 理 熱 容 的 測 量 將 質(zhì) 量 為 m、 溫 度 為 T2的 物體 投 到 量 熱 器 水 中 ， 量 熱器 熱 容 為 q， 水 質(zhì) 量 為 m0，比 熱 容 為 c0， 量 熱 器 和 水 原

38、來 溫 度 為 T1， 達(dá) 到 熱 平 衡后 的 溫 度 為 T3。 量 熱 器 與外 界 沒 有 熱 交 換 ： 0 0 3 22 3( )( )( )m c q T Tm T TC 2021-4-20 49 計 算 量 熱 器 熱 容 q： 量 熱 器 和 攪 拌 器 用 相 同 的 材料 ， 質(zhì) 量 為 m1， 比 熱 容 為 c1， 溫 度 計 插 入 水 中 部分 的 體 積 為 V， 則 ： q= m1c1+1.9V 1.9V為 溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 ， 單 位 J/K。 混 合 法 測 量 量 熱 器 熱 容 q： 水 的 質(zhì) 量 為 m1， 量 熱器

39、和 水 的 溫 度 為 T1， 再 加 入 質(zhì) 量 為 m2、 溫 度 為 T2的 水 ， 攪 拌 均 勻 后 的 溫 度 為 T3， 則 ： 2 0 2 33 1( ) 1 0( )m c T TT Tq mC 熱 容 的 測 量 2021-4-20 50 2、 電 熱 法 電 加 熱 產(chǎn) 生 的 熱 量 等 于 量 熱 器 、 水 及 相 關(guān) 物 體 吸收 的 熱 量 。 加 熱 秒 后 ， 物 體 和 系 統(tǒng) 的 溫 度 從 T1升 到 T2。 熱 平衡 公 式 為 ： VI=（ mc+m0c0+ m1c1+q1+ q2） （ T2-T1） 轉(zhuǎn) 換 可 得 ： 式 中 ： I為 電 流

40、； V為 電 壓 ； m、 c為 被 測 物 體 質(zhì) 量和 比 熱 容 ； m 0、 c0為 量 熱 器 中 水 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； m1、 c1為 量 熱 器 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； q1為 量 熱 器 的 熱 容； q2溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 。2 11 0 0 1 1 1 2( )VIm T TC m C mC q q 熱 容 的 測 量 2021-4-20 51 五 、 熱 容 的 應(yīng) 用 熱 分 析 ： 根 據(jù) 材 料 熱 容 的 變 化 來 推 斷 材 料 的 相 變 化。 溫 度 曲 線 測 定 ： 測 定 材 料 在 均 衡 加 熱 或 冷

41、卻 條 件下 的 加 熱 或 冷 卻 曲 線 。 2021-4-20 52 熱 容 的 應(yīng) 用 差 熱 分 析 （ differential thermal ananlysis， 簡 稱DTA） ： 將 被 測 物 體 （ 試 樣 ） 和 參 照 物 體 在 相同 的 條 件 下 加 熱 或 冷 卻 ， 測 量 試 樣 與 參 照 物 體之 間 的 溫 差 （ T） 隨 溫 度 （ T） 或 時 間 （ t） 的關(guān) 系 。 460 480 500 520 540 560 58078 91011 1213DSC(mw/mg) 溫 度 ( ) 505.25 531.32 放 熱 200 300 4

42、00 500 600 700-0.050.000.05 0.100.150.200.25 0.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94( )放 熱 526.43( )200 300 400 500 600 700-0.050.000.050.100.15 0.200.250.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94( )放 熱 526.43( )2021-4-20 53 熱 分 析 的 應(yīng) 用 ：（ 1） 建 立 合 金 狀 態(tài) 圖（ 2） 測 定 材 料 中 發(fā) 生 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 （ 3） 用 失 重 法 可 以 分 析 含 結(jié) 晶 水 物

43、質(zhì) 的 脫 水 溫度 。 2021-4-20 54 第 二 節(jié) 熱 膨 脹一 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 物 體 的 伸 長 和 溫 度 存 在 以 下 關(guān) 系 ： 式 中 ： L1、 L2分 別 代 表 T1、 T2溫 度 時 物 體 的 長度 ， 為 物 體 在 T1T2溫 度 區(qū) 間 的 平 均 線 膨 脹系 數(shù) ， 不 是 一 個 常 數(shù) ， 隨 溫 度 而 變 化 。 一般 是 隨 溫 度 升 高 而 加 大 。 2021-4-20 55 物 體 體 積 隨 溫 度 的 增 長 可 表 示 為 ： V2=V11+ V(T2-T1) 設(shè) 材 料 各 向 的 線 膨 脹 系 數(shù) 分 別 為

44、： a、 b、 c，則 得 ： V2=La2 Lb2Lc2 = La1 （ 1+ a T） Lb1（ 1+ b T） Lc1 （ 1+ c T） =V1 （ 1+ a T） （ 1+ b T） （ 1+ c T） 忽 略 二 次 方 以 上 的 項(xiàng) ， 得 ： V2= V11+ （ a+ b+ c） T 對 于 各 向 同 性 的 材 料 ， V可 以 近 似 為 的 3倍 。 V2=V11+ V(T2-T1)= V11+ 3 T2021-4-20 56 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格 振 動 理 論 曾 認(rèn) 為 原子 或 離 子 等 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動： 溫 度 的 升 高 只 能

45、增 大振 幅 而 不 能 改 變 其 平 衡位 置 ， 即 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 距 離不 會 因 溫 度 的 變 化 而 改變 ， 即 溫 度 的 改 變 不 能改 變 物 體 的 體 積 ， 亦 即不 會 出 現(xiàn) 熱 膨 脹 。 2021-4-20 57 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格 相 鄰 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 作 用 力 是非 線 性 的 和 非 對 稱 的 。 當(dāng) r r0時 ， 斥 力 隨 位 移 增 大得 很 快 ； 當(dāng) r r0時 ， 引 力 隨位 移 的 變 化 要 慢 一 些 。 質(zhì) 點(diǎn)振 動 的 中 心 不 在 r0， 而 是 向右 移 。 隨 著 溫 度 的 升 高 ，

46、質(zhì) 點(diǎn) 的 中心 位 置 將 沿 AB變 化 。 溫 度越 高 ， 質(zhì) 點(diǎn) 間 距 離 就 越 大 ，晶 體 的 膨 脹 量 就 越 大 。 2021-4-20 58 熱 膨 脹 與 其 他 性 能 的 關(guān) 系 熱 膨 脹 與 熱 容 的 關(guān) 系 熱 膨 脹 與 結(jié) 合 能 、 熔點(diǎn) 的 關(guān) 系 結(jié) 合 力 越 強(qiáng) ， 升 高 相同 溫 度 ， 質(zhì) 點(diǎn) 振 幅 增加 得 越 少 ， 熱 膨 脹 系數(shù) 也 越 小 。 2021-4-20 59 三 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 的 測 定（ 1） 望 遠(yuǎn) 鏡 （ 放 大 鏡 ） 直 讀 法 ： 將 試 樣 在 加 熱 爐 內(nèi)按 規(guī) 定 程 序 加 熱

47、升 溫 ， 用 放 大 倍 率 大 于 10倍 以 上的 望 遠(yuǎn) 鏡 直 接 讀 出 試 樣 的 長 度 。從 室 溫 至 試 驗(yàn) 溫 度 的 線 膨 脹 速 率 ： 2021-4-20 60 （ 2） 頂 桿 式 間 接 法 ： 將 試 樣 裝 在 樣 管 內(nèi) ， 用 頂 桿 將試 樣 壓 住 ， 頂 桿 與 位 移 傳 感 器 或 千 分 表 連 接 。 用精 密 溫 度 控 制 儀 器 按 規(guī) 定 的 升 溫 速 率 加 熱 ， 并 通過 位 移 傳 感 器 或 者 千 分 表 測 量 試 樣 的 線 膨 脹 。 2021-4-20 61 （ 3） 光 杠 桿 法 ： 將 金 屬 試 樣

48、 直 立 放 在 線 膨 脹 測 定 儀的 金 屬 筒 內(nèi) ， 將 光 杠 桿 的 后 足 置 于 金 屬 試 樣 的 上端 ， 二 前 足 置 于 儀 器 的 固 定 臺 上 。 根 據(jù) 光 杠 桿 原 理 可 得 試 樣 的 伸 長 量 ： 2021-4-20 62 四 、 熱 膨 脹 的 應(yīng) 用 雙 金 屬 控 溫 器 機(jī) 械 裝 配 （ 過 盈 配 合 ） 復(fù) 合 材 料 ： Al/石 墨 纖 維 ； Al/70Si； Al/SiC 釉 和 陶 瓷 的 膨 脹 系 數(shù) 。 釉 的 膨 脹 系 數(shù) 比 陶 瓷 要 適當(dāng) 小 一 點(diǎn) ， 使 陶 瓷 坯 內(nèi) 產(chǎn) 生 一 定 的 壓 應(yīng) 力

49、。 不 同 材 料 組 成 的 部 件 或 系 統(tǒng) ， 如 鋁 合 金 齒 輪 箱 ，鋼 軸 、 鋁 箱 體 ， 易 漏 油 ； 鑄 鐵 缸 套 /鋁 活 塞 ， 高 溫工 作 ， 配 合 間 隙 增 大 ， 運(yùn) 動 過 程 中 震 動 增 加 。 測 定 合 金 組 織 變 化 ， 利 用 相 變 產(chǎn) 生 體 積 變 化 現(xiàn) 象， 測 定 組 織 轉(zhuǎn) 變 的 開 始 和 結(jié) 束 溫 度 、 轉(zhuǎn) 變 率 等 。 2021-4-20 63 第 三 節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 當(dāng) 固 體 材 料 的 一 端 溫 度 高 于 另 一 端 時 ， 熱 量 就會 自 動 地 從 高 溫 端 流 向 低 溫 端 。

50、設(shè) 熱 量 的 流 動 方向 為 x， 垂 直 于 x方 向 的 截 面 積 為 S， 則 在 t時間 內(nèi) 沿 x軸 通 過 S截 面 的 熱 量 是 ： 式 中 ： dT/dx為 溫 度 梯 度 ； 為 導(dǎo) 熱 系 數(shù) ， 單 位 為W/(mK)或 J/(msK)； （ -） 號 表 示 熱 量 的 傳 導(dǎo)方 向 與 溫 度 梯 度 （ dT/dx） 相 反 。 2021-4-20 64 一 、 熱 傳 導(dǎo) 的 微 觀 機(jī) 理 氣 體 的 傳 熱 主 要 是 靠 分 子 的 相 互 碰 撞 來 實(shí) 現(xiàn) 的 ，固 體 材 料 的 質(zhì) 點(diǎn) 不 能 像 氣 體 分 子 那 樣 自 由 運(yùn) 動 ，

51、不能 靠 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 直 接 碰 撞 來 傳 遞 能 量 。 固 體 材 料 的 導(dǎo) 熱 方 式 ： 自 由 電 子 的 運(yùn) 動 導(dǎo) 熱 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 光 子 輻 射 傳 熱 2021-4-20 65 自 由 電 子 運(yùn) 動 導(dǎo) 熱 高 溫 度 區(qū) 域 ， 原 子 和 電 子 的能 量 高 ， 但 原 子 核 和 其 大 部 分 電 子 只 能 是 在 其 平衡 位 置 作 振 動 ， 只 有 外 層 電 子 可 以 脫 離 原 子 核 的束 縛 ， 成 為 自 由 電 子 ， 作 較 大 范 圍 的 運(yùn) 動 ， 把 能量 從 高 溫 區(qū) 帶 到 低 溫 區(qū) 。 如 果 把 自

52、由 電 子 設(shè) 想 成像 氣 體 一 樣 在 金 屬 中 自 由 運(yùn) 動 ， 則 得 金 屬 的 電 子導(dǎo) 熱 率 為 ： e=Ceele/3 式 中 ： Ce為 單 位 體 積 的 電 子 熱 容 ； e為 自 由 電 子的 平 均 運(yùn) 動 速 度 ； le為 自 由 電 子 運(yùn) 動 平 均 自 由 程。 e為 自 由 電 子 運(yùn) 動 導(dǎo) 熱 率 。2021-4-20 66 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 原 子 振 動 不 是 完 全 自 由 的 和 獨(dú) 立 的， 相 鄰 原 子 之 間 存 在 制 約 ， 原 子 振 動 能 通 過 波 的 形式 （ 稱 為 格 波 ） 傳 輸 。 物 體 各

53、部 位 的 溫 度 不 同 ， 原子 的 振 動 能 量 就 不 等 ， 那 么 這 種 原 子 振 動 引 起 的 格波 ， 將 會 使 能 量 分 布 均 勻 化 ， 即 傳 熱 。 這 種 能 量 的傳 輸 方 式 稱 為 聲 子 傳 熱 。 =Cl/3 式 中 ： C為 單 位 體 積 的 聲 子 熱 容 （ 晶 格 振 動 熱 容 ）； 為 聲 子 平 均 速 度 ； l為 聲 子 運(yùn) 動 平 均 自 由 程 。 為 晶 格 振 動 導(dǎo) 熱 或 聲 子 導(dǎo) 熱 率 。 2021-4-20 67 光 子 導(dǎo) 熱 固 體 材 料 除 了 自 由 電 子 和 聲 子 導(dǎo) 熱 外 ，還 有

54、光 子 的 導(dǎo) 熱 。 固 體 材 料 會 輻 射 出 頻 率 較 高 的 電磁 波 ， 其 中 波 長 在 0.440m的 可 見 光 與 部 分 紅 外 線光 稱 為 熱 射 線 。 熱 射 線 的 傳 遞 稱 為 熱 輻 射 ， 即 光 子的 導(dǎo) 熱 。 光 子 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： r=16n2T3lr/3 式 中 ： 為 斯 帝 芬 -波 爾 次 曼 常 數(shù) ； n為 折 射 率 ； T為物 體 的 溫 度 ； lr為 輻 射 線 光 子 的 平 均 自 由 程 。 2021-4-20 68 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： =e +r = （ Ceele +Cl+16n2T3lr）

55、 /3 金 屬 材 料 由 于 存 在 大 量 的 自 由 電 子 ， 靠 自 由 電 子 的 運(yùn)動 能 迅 速 地 傳 遞 熱 能 ， 金 屬 材 料 的 導(dǎo) 熱 主 要 靠 自 由 電子 的 運(yùn) 動 ， 晶 格 的 振 動 對 其 導(dǎo) 熱 有 一 定 的 貢 獻(xiàn) ， 但 起的 作 用 較 小 。 另 外 金 屬 材 料 一 般 具 有 較 高 的 導(dǎo) 熱 率 。一 般 金 屬 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 為 ： =e += （ Ceele +Cl） /3 非 金 屬 材 料 ， 如 一 般 離 子 晶 體 ， 晶 格 中 的 自 由 電 子 很少 ， 晶 格 振 動 是 非 金 屬 材 料 的

56、 主 要 導(dǎo) 熱 方 式 。 2021-4-20 69 二 、 影 響 材 料 熱 傳 導(dǎo) 性 能 的 因 素1、 溫 度 ： 溫 度 升 高 振 動 加 劇 ， 但 阻 力 增 加 。 2、 晶 體 結(jié) 構(gòu) ： 結(jié) 構(gòu) 越 復(fù) 雜 ， 晶 格 振 動 的 非 諧 性 程 度越 大 ， 格 波 散 射 愈 大 ， 聲 子 平 均 自 由 程 就 越 小 ，導(dǎo) 熱 率 就 愈 低 。 因 晶 格 結(jié) 構(gòu) 的 方 向 性 ， 導(dǎo) 熱 率 存 在 方 向 性 。3、 化 學(xué) 組 成 ： 溶 質(zhì) 濃 度 增 加 ， 導(dǎo) 熱 率 降 低 ， 如 鋼 中合 金 元 素 含 量 越 高 ， 其 導(dǎo) 熱 率

57、越 低 。 當(dāng) 兩 合 金 組元 形 成 連 續(xù) 互 溶 固 溶 體 時 ， 導(dǎo) 熱 率 在 原 子 濃 度50%處 達(dá) 到 最 低 值 。4、 復(fù) 相 材 料 的 導(dǎo) 熱 率 2021-4-20 70 三 、 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 的 應(yīng) 用（ 1） 保 溫 材 料 。 熱 工 設(shè) 備 上 應(yīng) 用 到 大 量 的 保 溫 材 料 ，如 多 孔 輕 質(zhì) 耐 火 磚（ 2） 絕 熱 發(fā) 動 機(jī) 用 材 料（ 3） 導(dǎo) 熱 材 料 。 熱 交 換 器 中 的 高 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 材 料 。（ 4） 鑄 造 生 產(chǎn) 中 的 冷 鐵（ 5） 航 空 航 天 中 應(yīng) 用 到 的 一 些 材 料 、 核 反 應(yīng)

58、 堆 材 料 和電 子 信 息 材 料 等 。 2021-4-20 71 作 業(yè) 名 詞 解 釋 ： 杜 隆 珀 替 定 律 ， 柯 普 定 律 ， 熱容 敘 述 固 體 的 三 種 導(dǎo) 熱 方 式 。 敘 述 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 。 2021-4-20 72 四 、 熱 容 的 測 量1、 混 合 法 溫 度 不 同 的 物 體 混 合 ， 熱 量 由 高 溫 物 體 傳 輸給 低 溫 物 體 ， 最 后 達(dá) 到 一 均 勻 的 溫 度 。 如 果外 界 沒 有 參 與 熱 交 換 ， 則 高 溫 物 體 放 出 的 熱量 應(yīng) 該 等 于 低 溫 物 體 所 吸 收 的 熱 量 。 20

59、21-4-20 73熱 平 衡 原 理 熱 容 的 測 量 將 質(zhì) 量 為 m、 溫 度 為 T2的 物體 投 到 量 熱 器 水 中 ， 量 熱器 熱 容 為 q， 水 質(zhì) 量 為 m0，比 熱 容 為 c0， 量 熱 器 和 水 原來 溫 度 為 T1， 達(dá) 到 熱 平 衡后 的 溫 度 為 T3。 量 熱 器 與外 界 沒 有 熱 交 換 ： 0 0 3 22 3( )( )( )m c q T Tm T TC 2021-4-20 74 計 算 量 熱 器 熱 容 q： 量 熱 器 和 攪 拌 器 用 相 同 的 材料 ， 質(zhì) 量 為 m1， 比 熱 容 為 c1， 溫 度 計 插 入

60、水 中 部分 的 體 積 為 V， 則 ： q= m1c1+1.9V 1.9V為 溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 ， 單 位 J/K。 混 合 法 測 量 量 熱 器 熱 容 q： 水 的 質(zhì) 量 為 m1， 量 熱器 和 水 的 溫 度 為 T1， 再 加 入 質(zhì) 量 為 m2、 溫 度 為 T2的 水 ， 攪 拌 均 勻 后 的 溫 度 為 T3， 則 ： 2 0 2 33 1( ) 1 0( )m c T TT Tq mC 熱 容 的 測 量 2021-4-20 75 2、 電 熱 法 電 加 熱 產(chǎn) 生 的 熱 量 等 于 量 熱 器 、 水 及 相 關(guān) 物 體 吸收

61、的 熱 量 。 加 熱 秒 后 ， 物 體 和 系 統(tǒng) 的 溫 度 從 T1升 到 T2。 熱 平衡 公 式 為 ： VI=（ mc+m0c0+ m1c1+q1+ q2） （ T2-T1） 轉(zhuǎn) 換 可 得 ： 式 中 ： I為 電 流 ； V為 電 壓 ； m、 c為 被 測 物 體 質(zhì) 量和 比 熱 容 ； m 0、 c0為 量 熱 器 中 水 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； m1、 c1為 量 熱 器 質(zhì) 量 和 比 熱 容 ； q1為 量 熱 器 的 熱 容； q2溫 度 計 插 入 水 中 部 分 的 熱 容 。2 11 0 0 1 1 1 2( )VIm T TC m C mC q q

62、熱 容 的 測 量 2021-4-20 76 五 、 熱 容 的 應(yīng) 用 熱 分 析 ： 根 據(jù) 材 料 熱 容 的 變 化 來 推 斷 材 料 的 相 變 化。 溫 度 曲 線 測 定 ： 測 定 材 料 在 均 衡 加 熱 或 冷 卻 條 件下 的 加 熱 或 冷 卻 曲 線 。 2021-4-20 77 熱 容 的 應(yīng) 用 差 熱 分 析 （ differential thermal ananlysis， 簡 稱DTA） ： 將 被 測 物 體 （ 試 樣 ） 和 參 照 物 體 在 相同 的 條 件 下 加 熱 或 冷 卻 ， 測 量 試 樣 與 參 照 物 體之 間 的 溫 差 （

63、T） 隨 溫 度 （ T） 或 時 間 （ t） 的關(guān) 系 。 460 480 500 520 540 560 58078 91011 1213DSC(mw/mg) 溫 度 ( ) 505.25 531.32 放 熱 200 300 400 500 600 700-0.050.000.05 0.100.150.200.25 0.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94( )放 熱 526.43( )200 300 400 500 600 700-0.050.000.050.100.15 0.200.250.300.35DSC(mw/mg) 溫 度 （ ） 514.94(

64、)放 熱 526.43( )2021-4-20 78 熱 分 析 的 應(yīng) 用 ：（ 1） 建 立 合 金 狀 態(tài) 圖（ 2） 測 定 材 料 中 發(fā) 生 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 （ 3） 用 失 重 法 可 以 分 析 含 結(jié) 晶 水 物 質(zhì) 的 脫 水 溫度 。 2021-4-20 79 第 二 節(jié) 熱 膨 脹一 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 物 體 的 伸 長 和 溫 度 存 在 以 下 關(guān) 系 ： 式 中 ： L1、 L2分 別 代 表 T1、 T2溫 度 時 物 體 的 長度 ， 為 物 體 在 T1T2溫 度 區(qū) 間 的 平 均 線 膨 脹系 數(shù) ， 不 是 一 個 常 數(shù) ， 隨 溫 度 而

65、 變 化 。 一般 是 隨 溫 度 升 高 而 加 大 。 2021-4-20 80 物 體 體 積 隨 溫 度 的 增 長 可 表 示 為 ： V2=V11+ V(T2-T1) 設(shè) 材 料 各 向 的 線 膨 脹 系 數(shù) 分 別 為 ： a、 b、 c，則 得 ： V2=La2 Lb2Lc2 = La1 （ 1+ a T） Lb1（ 1+ b T） Lc1 （ 1+ c T） =V1 （ 1+ a T） （ 1+ b T） （ 1+ c T） 忽 略 二 次 方 以 上 的 項(xiàng) ， 得 ： V2= V11+ （ a+ b+ c） T 對 于 各 向 同 性 的 材 料 ， V可 以 近 似

66、為 的 3倍 。 V2=V11+ V(T2-T1)= V11+ 3 T2021-4-20 81 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格 振 動 理 論 曾 認(rèn) 為 原子 或 離 子 等 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動： 溫 度 的 升 高 只 能 增 大振 幅 而 不 能 改 變 其 平 衡位 置 ， 即 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 距 離不 會 因 溫 度 的 變 化 而 改變 ， 即 溫 度 的 改 變 不 能改 變 物 體 的 體 積 ， 亦 即不 會 出 現(xiàn) 熱 膨 脹 。 2021-4-20 82 二 、 熱 膨 脹 的 機(jī) 理 晶 格 相 鄰 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 作 用 力 是非 線 性 的 和 非 對 稱 的 。 當(dāng) r r0時 ， 斥 力 隨 位 移 增 大得 很 快 ； 當(dāng) r r0時 ， 引 力 隨位 移 的 變 化 要 慢 一 些 。 質(zhì) 點(diǎn)振 動 的 中 心 不 在 r0， 而 是 向右 移 。 隨 著 溫 度 的 升 高 ， 質(zhì) 點(diǎn) 的 中心 位 置 將 沿 AB變 化 。 溫 度越 高 ， 質(zhì) 點(diǎn) 間 距 離 就 越 大 ，晶 體 的 膨 脹 量 就 越 大 。 2021-4-20 8