材料物理性能

材料物理性能

第一章、材料的热学性能

一、基本概念

1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q

c ∆∆=

2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[

与

物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ∂∂=1

3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。

4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容：

T U T Q C v v ∆∆=∆∆=)(

5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供

给物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。 P P P T

H T V P T U T V P U T Q C )()(∆∆=∆∆+∆∆=∆∆+∆=∆∆=）（ 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。

7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t

l l l ∆=∆α0

8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t t V ∂∂=

1α 9.热导率（导热系数）λ：在

单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热

量。（标志

材

料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。

10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。

α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。

二、基本理论

1.德拜理论及热容和温度变化关系。

答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。

⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数；

②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波；

③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类；

④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位h ν的整数倍。

⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。

②当T《θD时，Cv,m∝3T。

③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。

⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不

适用；

②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符；

③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。

2.热容的物理本质。

答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。

【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系；

⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同；

⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大；

⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】

3.热膨胀的物理本质。

答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。

⑴T↑原子间的平均距离↑ r＞r0 吸引合力变化较慢

⑵T↑晶体中热缺陷密度↑ r＜r0 排斥合力变化较快

【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】

4.固体材料的导热机制。

答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。

①纯金属：电子导热是主要机制；

②合金：声子导热的作用增强；

③半金属或半导体：声子导热、电子导热；

④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。

⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。

固体：质点间有很强的相互作用。

5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8

⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变

②等温转变，焓有突变；②磁性转变、BCC点阵的有序-无序转变。

③热容曲线发生不连续变化，焓曲线发生跃变；

④珠光体转变、铁的α→γ转变。

6.相变对热容、焓的影响。

答：⑴一级相变：固态的多型性转变属于一级相变（如珠光体转变、铁的α-γ转变），加热到临界点Tc焓的曲线出现跃变，热熔曲线发生不连续变化，这种曲线中转变的热效应即为曲线跃变所对应的焓变化值。【一级相变有潜热，如果是等温转变，则相变时焓的变化有突变，热容趋于无穷大】

⑵二级相变：是在一个温度范围内逐步完成的，焓随着温度的升高而逐渐增大，当接近临界点Tc，由于转变的数量急剧增多，Q的变化加剧，与此相对应的热容值则达到最大值，转变的热效应相当于阴影面积。【二级相变无潜热，热容有突变】

7.熔化和凝固。P10图1.7

答:⑴加热温度低于熔点时，加热所需热量随T缓慢上升；

⑵Tm处，熔化热q s，焓曲线拐折并陡直上升；

⑶液态金属热容比固态大。

8.热导率和温度的关系：

⑴金属：