固体材料热物理性质讲义
固体物理-固体比热容
离子比热容
离子比热容是由于固体中离子的振动和移动而引起的热容。它是离子质量 和离子间相互作用力的函数，与温度密切相关。
离子比热容的大小取决于离子的振动频率和扩散系数，不同的离子化合物 具有不同的离子比热容。
在低温下，离子比热容通常表现为线性温度依赖性，而在高温下则表现出 更复杂的非线性行为。
磁性比热容
环境污染物治理
在环境污染物治理中，某些具有特定 比热容的吸附剂可以用于吸附和去除 环境中的有害物质，如重金属离子和 有机污染物等。
05
固体比热容的研究前景
新材料的比热容研究
新材料比热容研究
随着科技的发展，新型材料不断涌现，研究 这些材料的比热容对于理解其热学性质和潜 在应用具有重要意义。例如，新型高温超导 材料、纳米材料和二维材料的比热容研究， 有助于发现新的物理现象和潜在应用。
要点二
高温高压下的比热容测量技术
高温高压下的比热容测量需要高精度的实验技术和设备。 例如，激光加热技术、闪光量热计和高压装置的结合使用 ，可以在极端条件下对材料的比热容进行测量。
比热容与微观结构的关系研究
比热容与微观结构的关系
固体材料的比热容与其微观结构密切相关。通过对比热 容的研究，可以深入了解材料的微观结构和动力学性质 。
02
固体比热容的分类
晶格振动比热容
晶格振动比热容是由于固体晶格结构的振动而引起的热容。它是固体中原子或分子的振动幅度和频率 的函数，与温度密切相关。
晶格振动比热容的大小取决于晶体的对称性和周期性，不同的晶体结构具有不同的晶格振动比热容。
高温下则表现为更复杂的非线性行为。
比热容随物质种类的变化
总结词
不同物质具有不同的比热容
VS
固体知识点物理总结高中
固体知识点物理总结高中一、固体的特性固体是物质存在的三种形态之一，其特点主要表现在以下几个方面：1. 定形性固体具有固定的形状和体积，不易被外力改变。
2. 弹性固体在受到外力作用时，会发生形变，但在去除外力后，又会恢复原状。
3. 坚固性固体的分子间有着紧密结合，使得它们具有一定的强度和硬度。
4. 导热性固体具有较强的导热性，能够传递热量。
5. 导电性部分固体具有导电性，能够传递电流。
二、固体的结构固体的结构主要分为离子晶体、分子晶体和金属晶体。
1. 离子晶体离子晶体是由正负离子通过静电力相互结合而成，晶体中正负离子的数量相等，呈电中性。
2. 分子晶体分子晶体是由分子通过共价键相互结合而成的固体，分子间的相互作用力比较弱。
3. 金属晶体金属晶体是由金属元素经过离子键相互结合而成的固体，金属晶体中的原子之间存在金属键的结合。
三、固体的性质固体的性质主要包括热性质、电性质和力学性质。
1. 热性质固体在不同温度下具有不同的热膨胀系数，随着温度的升高，固体的体积会扩大。
2. 电性质固体的电性质可以分为导电和绝缘两种情况。
金属晶体具有良好的导电性，离子晶体、分子晶体和非金属晶体通常是绝缘体。
3. 力学性质固体的力学性质主要包括硬度、弹性模量、屈服强度、断裂强度等。
四、固体的物理现象在日常生活和实验研究中，固体所表现出的物理现象主要包括：1. 热膨胀固体在受热时会发生体积的膨胀，这种现象被称为热膨胀。
2. 电阻现象不同类型的固体在受到电流作用时，会表现出不同的电阻特性，并且会有发热现象。
3. 弹性变形固体在受力作用时会发生弹性变形，这种变形是可逆的，即去除外力后，固体会恢复原状。
4. 塑性变形当固体受到较大的外力作用时，会发生塑性变形，使得其形状产生永久性改变。
五、固体的相关物理量在研究固体的过程中，涉及到一些固体的相关物理量。
主要包括：1. 密度固体的密度是指单位体积内的物质质量。
2. 热膨胀系数固体在受热时体积变化的比例与温度变化的比例之比。
固体物理学基础晶体的热膨胀与热应力
固体物理学基础晶体的热膨胀与热应力固体物理学基础：晶体的热膨胀与热应力引言：固体物理学中，晶体是一个重要的研究对象。
晶体是由周期性排列的原子、分子或离子构成的固体，其具有特定的晶体结构和独特的物理性质。
在晶体的研究中，热膨胀和热应力是重要的参数，对于理解材料热力学性质和应用有着重要的意义。
本文将从晶体结构、晶格热膨胀和晶体中的热应力等方面展开论述。
一、晶体结构与热膨胀晶体结构是晶体物理性质的基础，对于晶体中的热膨胀也产生重要影响。
晶体结构可由晶格参数描述，晶格参数是晶体结构的基本参数，包括晶格常数、晶格常数的倒数、晶胞的几何形状等。
晶格参数受温度的影响而发生变化，从而引起晶体的热膨胀。
热膨胀是指物体在温度变化时由于分子间距增加而引起的体积膨胀现象。
对于晶体来说，晶格常数与温度呈一定的关系。
根据固体物理学中的格林斯隆关系，晶格常数与温度间的关系可以用公式表示：ΔL/L₀ = αΔT其中，ΔL是晶格常数的变化量，L₀是初始晶格常数，ΔT是温度的变化量，α是线膨胀系数。
从这个公式可以看出，晶体的热膨胀与晶格常数的变化有着密切的关系。
二、晶体中的热应力随着温度的变化，晶体因热膨胀而发生体积变化，这将引起晶体内部的应力产生。
这种由温度变化引起的内应力称为热应力。
热应力是由于热膨胀系数不同的两个物体或同一物体的不同部分之间出现的。
热应力可以通过胡克定律来描述。
根据胡克定律，热应力与热膨胀系数之间存在线性关系。
对于晶体来说，热应力可以用公式表示：σ = EαΔT其中，σ表示热应力，E是弹性模量，α是热膨胀系数，ΔT是温度的变化量。
从这个公式可以看出，晶体中的热应力与弹性模量、热膨胀系数以及温度变化有关。
三、应用与实验测量晶体的热膨胀和热应力在材料科学和工程中有着广泛的应用。
热膨胀和热应力的理论模型可以用于材料的设计和性能优化。
例如，在高温合金的设计中，热膨胀和热应力的考虑对于抵抗高温下的变形和断裂具有重要意义。
物理学中的固体物理学基础知识点
物理学中的固体物理学基础知识点固体物理学是物理学的分支学科，研究固体材料的性质、结构和行为。
本文将介绍一些固体物理学的基础知识点，包括晶体结构、声子和电子等。
一、晶体结构晶体是由原子、分子或离子组成，具有一定的周期性结构。
晶体结构包括晶格和基元两个基本概念。
1. 晶格晶格是指晶体中重复出现的基本单元，可以看作是无限重复的点阵。
晶体的晶格有五种常见结构类型：立方晶系、正交晶系、单轴晶系、菱面晶系和三斜晶系。
不同类型的晶格具有不同的对称性。
2. 基元基元是指晶体中最小的重复单元，其组合可以构成整个晶体。
基元可以是一个原子、一对原子或一组原子。
例如，钠氯化物晶体的基元是由一个钠离子和一个氯离子构成的。
二、声子声子是固体中振动的量子态，对应于晶体中原子的振动模式。
声子的产生和传播与晶体的结构和原子间相互作用有关。
声子的性质及其在固体物理中的作用有很多研究，其中最重要的是声子在热传导中的角色。
声子的传播会导致热量的传递，因此理解声子的性质对于材料的热导率和热电性能的研究具有重要意义。
三、电子固体中的电子是固体物理学中的重要研究对象。
电子在晶体中的行为由量子力学描述，其中包括能带理论、费米面和导电性等。
1. 能带理论能带理论是描述固体中电子能级分布的理论。
在晶体中，原子间的相互作用导致原子能级发生分裂，形成能带。
根据氢原子能级的经验规则，能带可以分为价带和导带。
2. 费米面固体中电子的分布状态由费米面决定。
费米面是能带理论中的重要概念，描述了能量最高的占据态与能量最低的未占据态之间的分界面。
3. 导电性固体材料的导电性与其中的电子行为密切相关。
根据电子在能带中的填充情况，材料可以被分为导体、绝缘体和半导体。
导体中的能带存在部分填充的状态，电子可以自由移动，并且易于形成电流。
绝缘体中的能带被完全填满，电子难以进行移动。
半导体的能带填充情况介于导体和绝缘体之间，通过施加外加电场或温度变化可以改变其导电性。
总结：固体物理学是物理学的重要分支，研究固体材料的性质和行为。
固体物理-固体比热容
04 固体比热容的应用
在材料科学中的应用
材料性能研究
固体比热容是材料热力学性能的重要参数，通过研究材料的比热容，可以深入了 解材料的热传导、热膨胀等性质，有助于预测材料在不同温度和压力下的行为。
新型材料开发
在新型材料开发过程中，固体比热容的测量和分析有助于评估材料的热稳定性、 热导率等关键性能，为材料的优化设计和性能提升提供依据。
固体物理-固体比热容
目录
• 固体比热容概述 • 固体比热容的理论基础 • 固体比热容的实验研究 • 固体比热容的应用 • 固体比热容的研究展望
01 固体比热容概述
比热容的定义和单位
定义
比热容是单位质量的物质温度升高或 降低1摄氏度时所吸收或放出的热量。
单位
在国际单位制中，比热容的单位是焦 耳每千克摄氏度（J/(kg·℃)）。
在能源科学中的应用
能源转换与存储
固体比热容与能源转换和存储密切相关 。在太阳能、地热能等可再生能源的利 用中，固体比热容是实现高效能量转换 和存储的关键因素。
VS
节能技术
通过研究固体材料的比热容特性，可以开 发出具有高热容和高导热性能的新型材料 ，应用于节能建筑、高效散热等领域，提 高能源利用效率。
比热容与其他物理量的关系研究
比热容与热导率的关系
研究比热容与热导率之间的联系，揭示固体材料在热量传递过程中的内在机制。
比热容与磁学性质的关系
探索比热容与磁学性质之间的关联，理解磁性固体材料在热量和磁场的相互作用下的行 为。
比热容与材料性能的关联研究
要点一
比热容与材料稳定性
要点二
比热容与材料功能性的关系
在化学工程中的应用
化学反应动力学研究
第6章：固体材料的热力学状态：自由能、相图、相和组织
④低温下：内能项为主→低温相多是低内能，原子排列 规整紧密的相； 高温下：熵项可超过内能项使→混乱度大的相稳定存在。
6.1.4 材料系统的化学势
材料系统多为多元体系，增加成分变数 → 要用化学 热力学与化学位。 由H = U+PV，dH = dU+PdV+VdP =
TdS - PdV+PdV+VdP=TdS+VdP
(2) 系统的功、能变化
容量性质（体积V、质量、熵S等）有加和性; 强度性质（温度T、压强P等）无加和性。
强度性质作用在容量性质上（使其变化），此过程 涉及功： 力F 压力P 而 T•dS 杆l 体积V dl(伸长) dV Fdl(变形功) PdV(机械功)
即强度性质×容量性质的变化 = 功 δQ（无序功）
合并Ⅰ、Ⅱ律：dU=δQ + δW， δQ≤TdS 得: dU－TdS ≤ δ W， 恒温: d(U－TS) ≤ δ W 定义: F≡U－TS, dF ≤ δ W , 若恒V：δ W = 0 故 : d（U－TS）T，V ≤ 0 或 dF ≤ 0 自发过程（＜），平衡过程（=）
同理: d (H－TS)T，P ≤ 0,
热力学Ⅰ律： △U= Q+W 或 du=δQ+δw(以系统为主) P 、V 、T系统
①若恒容: δW= PdV =0 则 △U=Qv, du=δQv ②若恒压: δW = －PdV (系统对外做膨胀功) δQp = du－δW = du+d(PV) = d(U+PV), 令 H≡U+PV (Enthalpy) 则 δQP＝dH △H＝Qp ③若吸、放热（Ｔ变）：
dSU· （dH）S· V≥0； （dU）S· V≤0； P≤0； （dG）T· （dF）T· P≤0 V≤0；
1.4材料的热传导(材料物理性能)
➢非金属晶体中：在非金属晶体以晶格振动为主要的导热机 构，晶格振动的格波又分为声频支河光频支。
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2.固体传热的微观过程
由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强质点 的影响下，振动加剧，热运动能量增加。
BeO MgO
ZrO2
28000F隔热砖 20000F隔热砖
0.0001 0
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粉末MgO
400
800
1200
温度(0C)
1600
2000
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2.化学组成的影响
1）原子量与λ的关系
➢质点的原子量愈小，密度愈小，德拜温度愈高，则热 导率愈大。 ➢线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动 引起。
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•光子的吸收和散射
➢吸收系数小的透明材料，当温度为几(℃)时，光辐射 是主要的；➢ 吸收系数大的不透明材料，即使在高温时光子传导也不 重要。
➢ 在非金属材料中，主要是光子的散射使得lr比玻璃和单晶
都小。只是在1500℃以上，光子传导才是主要的。
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三、影响热导率的因素
缺陷及杂质影响与温度有关： （1）低温时缺陷及杂质的影响随着温度的升高而加剧。 （2）温度高于德拜温度的一半时这种影响与温度无关。
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单质具有较大的导热系数 λ
金刚石的热传导系数比任何 其他材料都大，常用于固体 器件的基片。
例如；GaAs激光器做
在上面，效于声子平均自由程的减小，从而降低热导率。 散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。
材料物理(热学)3
MgO-NiO及Cr2O3-Al2O3固溶体的热阻率
4.4 复相陶瓷的热导率
分散相均匀地分散在连续相中
c，d分别为连续相和分散相物质的热导率， Vd为分散相的体积分数。
MgO-Mg2SiO4的热导率
气孔的影响
式中，p是气孔的面积分数，pL是气孔的长度分数，是辐射 面的热蒸发率，d是气孔的最大尺寸。G是几何因子。
p = 1/(T2 + /T)
T2表示由于声子对电子散射引起 的热阻， /T表示由于杂质等对 电子散射引起的热阻。
光子导热
对于辐射线是透明的介质，热阻很小，自由程较大； 对于辐射线不透明的介质，自由程小； 对于完全不透明的介质，自由程为零，在这种介质中， 辐射传热可以忽略。 单晶和玻璃对于辐射线是比较透明的，因此，在7731273K辐射传热比较明显。 大多数陶瓷材料是半透明或透明性很差的，其自由程 要小很多，因此，在高温下辐射传热才比较明显。
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
在中低温（400-600K）以下， 随着温度的升高，热容增大， 玻璃的导热系数也相应上升。 从中温到较高温度（600900K），随着温度的不断升高， 声子热容不再增大，逐渐为一 常数，因此，声子导热出现与 横坐标接近平行的直线。如果 考虑此时光子导热在总的导热 中的贡献已开始增大，则会略 上升。 高温以上（超过900K），随着 温度的进一步升高，声子导热 变化不大，光子的平均自由程 明显增大，光子导热系数随温 度的三次方增大，此时光子导 热系数曲线由玻璃的吸收系数、 折射率以及气孔率等因素决定。
理论上构造出来，是准粒子 能量量子 自旋为零，是玻色子，数目不守恒的 作为一个概念，可以假设成一种“实在 粒子”应用于解释物理问题。
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R
—辐射导热因子，包括气相(气孔内)辐射导热因子RG ， 固相辐射导热因子RS （光子）
G —气相热导导热因子（分子）
C —气相对流导热因子（分子）
非金属固体导热(声子）
气孔内气体导热和对流(分子）
热
冷
面
面
热辐射（光子）
绝热材料热传递原理图
性能按权重的综合贡献
（1）典型工程材料导热因子构成
导热、辐射和对流三种传热方式对有效导热系数的贡献可分解成若干
导热因子，绝热材料有效导热系数e 可由下列导热因子组成：
e f S (SC , SF , SM ), R(RG, RS ), G, C
式中 S —固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子SC （声子），
因此、导热的机理必然与组成物质的微观粒子的运动与相互作用有关。
2.导热载体类别
(1).分子导热——分子碰撞 (2).电子导热——电子碰撞 (3).声子导热——声子碰撞
介电体中：热量传导是由晶格振动（格波）实现的—波动说 格波的能量传导又具有量子化特征—量子说 格波传递能量的速度为该物质中的等效声速，因此把 量子化的以等效声速传递的晶格振动称为“声子”
热物性在基础科学和工程技术中的作用
航天技术—宏观热障 IC和IT技术—微观热障
能源技术和动力工程—热装置的热设计 热过程的热分析 热功能材料的删选及优化
研究材料微观结构变化的一种新方法
Ⅰ.固体导热机制概述
1.热的微观理论
热的动力学理论——热是一种关联到分子、原子、电子等以及其组 成部分的移动、转动和振动的能量
固体材料导热性能的机制、影响因素及优化 奚同庚
中国科学院上海硅酸盐研究所
奚同庚 简历
1959 ：毕业于北京科技大学,同年起在中科院上海硅酸盐研究所工作 1963 ：助研，课题组长 1981 ：副研，室主任 1985 ：研究员、博导 1983～1991： 副所长
研究方向：材料热物性学，热功能材料，能源技术
(4).光子导热——光子碰撞（较高频率的电磁辐射能）
对于以上四种导热载体的导热系数都用一个通式表示：
1
3
i
CviVi Li
Cvi ——导热载体的体积热容
Vi ——导热载体在物质内传递速度 Li ——导热载体相互碰撞的平均自由程
3.导热系数理论曲线的实验验证—— 随T 变化规律
对方程（1）各项与温度的关系，求出 理论曲线
论文：已发表150余篇，其中国外发表70余篇（J. Appl. Phy., Trans.J.Br. Ceram. Soc.,Ferroelectrics, J. Mat., Sci. Let., Inter. J. Thermophysics, Thermochimica Acta, 等）
获奖：8项成果奖 国家科技进步奖3项，二等奖2项，三等奖1项 中科院进步奖5项，一等奖1项，二等奖4项
实测的 值曲线
对比验证
（1）无机非金属材料（陶瓷等） 陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线
单晶氧化铝的导热系数 的实测曲线
校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数的实测曲线
校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数
石墨和的SiC导热系数曲线
（2）非晶态材料
非晶态材料可看成是近程有序、远程无序的结构
Ⅳ .热功能材料热性能的优化和设计
前言
热物理性质
输运性质：导热系数、导温系数、热膨胀、热辐射、粘度 热力学性质：比热、热焓
热物性学研究范畴
1.热物性测试方法和技术研究 2.热物性物理模型和机制研究 3.热物性变化规律及影响因素研究 4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究 5.热物性数据判பைடு நூலகம்及数据库建立
微孔硅酸钙电镜照片 气孔尺寸20～80 um
聚氨酯泡沫电镜照片 气孔尺寸150～300 um
(2).导热因子随材料密度和温度变化规律
典型绝热材料在 65℃和538℃时 不同体积密度下 各种导热因子对
e 的贡献
1－绝热材料有效导热系数λ e 2－绝热材料气相导热因子的贡献 3－绝热材料中的辐射导热因子贡献 4－绝热材料对流导热因子贡献 5－绝热材料中的固相导热因子贡献
著作：12本（无机材料热物性学，高温涂层，热分析质谱法，固体热物理 性质导论—理论与测量等）
兼职：1985年起先后兼任中国科技大学、同济大学、华东理工大学、上海 科技大学、香港中文大学兼职教授
学会：上海市国家突出贡献专家协会副会长 中国计量学会理事、热物理专业委员会副主任 上海计量测试学会理事长 ATPC 国际热物性会议常务理事 中科院能源委员会委员 上海绝热工程和材料应用委员会主任
Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素
1.温度 2.体积密度 3.晶体结构 4.化学成分 5.气孔 6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹 7.与其他物性的关联性
目录
Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例
1.相变的导热研究 2.电畴的导热研究 3.晶态物质导热的非晶态行为 4.晶界状态的导热研究 5.微裂纹的导热研究
辐射导热因子
R
16
3
n2
LR
T 3
因此，当温度从65℃ 538℃ 时
R 贡献
Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素
1.温度（室温以上）
(1).晶态无机非金属材料
(2).非晶态无机非金属材料
(3).多孔绝热材料和轻质砖
(4).金属材料
2. 体积密度 ，e
(1).陶瓷材料：500℃以下，气孔率P < 40％，可用下式计算
玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线 1—声子导热和光子导热的贡献 2—声子导热的贡献
石英玻璃的实测导热系数曲线
几种不同组分玻璃的实测导热系数曲线
（3）金属材料 金属导热系数的理论曲线
金属导热系数的实测曲线
4.工程材料的导热因子分析
有效导热系数 e 的概念——导热、对流、热辐射三种传播方式对导热
其它：1988年被国家人事部授予“中青年突出贡献专家”称号 1988年评为上海市劳动模范 1989年国防科工委授予献身国防科技事业荣誉奖章 1993～2003年上海市第八、第九届政协委员
目录
前言
Ⅰ.固体导热机制概述
1.热的微观理论 2.导热载体类别 3.导热系数理论曲线的实验验证 4.工程材料导热因子的理论分析