《材料物理性能》课程教学课件（PPT讲稿）无机材料的热学性能（无机材料的热容和热膨胀）

无机材料物理性能 第四章无机材料的热学性能

第四章 无机材料的热学性能

主要内容 主要内容： 1.无机材料的热容 2.无机材料的热膨胀 3.无机材料的热传导 热学性能 4.无机材料的热稳定性

主要内容 主要内容： 1.无机材料的热容 2.无机材料的热膨胀 3.无机材料的热传导 4.无机材料的热稳定性 热 学 性 能

本章就热容、热膨胀、热传导、热稳定性等热性能与无机材料的宏观、 微观本质之间的关系进行探讨，为选材、用材、改善材质、研制新工 艺等打下物理理论基础

本章就热容、热膨胀、热传导、热稳定性等热性能与无机材料的宏观、 微观本质之间的关系进行探讨，为选材、用材、改善材质、研制新工 艺等打下物理理论基础

材料热学性能的物理本质均与晶格热振动有关。 牛顿第二运动定律的常见 表述是：物体加速度的大 晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子、离子) 小跟作用力成正比。 设每个质点的质量为m,在任一瞬女质点在x方向的 位移为X,其相邻两个质卢位移分别为Xn-1、Xn+1。 Xn+1 Xn Xn-1 根据牛顿第二定律，该质点的运动方程为： =B(xn+1-x-1-2x m dt2 简谐振动方程： β为微观弹性模量，晶格热振动的振动频率随的增大而提高

材料热学性能的物理本质均与晶格热振动有关。 晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置做微小振动。 简谐振动方程： β为微观弹性模量，晶格热振动的振动频率随β的增大而提高。 + 设每个质点的质量为m，在任一瞬间该质点在x方向的 位移为xn，其相邻两个质点的位移分别为xn-1、xn+1。 根据牛顿第二定律，该质点的运动方程为： 牛顿第二运动定律的常见 表述是：物体加速度的大 小跟作用力成正比

每个质点的β有所不同，因此每个质点在热振动时都有各自不同的频率。材料内 有N个质点，就由N个频率的组合在一起。温度高时，各质点的振幅和频率均增 大，动能增大。各质点热运动时的总和即为该物体的热量。 宏观表现： ∑%1（动能）：=热量

宏观表现： 每个质点的有所不同，因此每个质点在热振动时都有各自不同的频率。材料内 有N个质点，就由N个频率的组合在一起。温度高时，各质点的振幅和频率均增 大，动能增大。各质点热运动时的总和即为该物体的热量

由于材料中各质点之间存在着很强的相互作用力，一个质点的振动会使临近质点随 之振动。相邻质点间的振动存在着一定的相位差，从而使得晶格振动以弹性波的形 式（又称格波）在整个材料内传播。弹性波是多频率振动的组合波。 声频支一一声子 弹性波 光频支一一光子 (b) 图4.1一维双原子点阵中的格波 (a)声频支；(b)光频支 声频支振动特点：频率低、质点之间的位相差不大，相邻原子具有相同的振动方向。 光频支振动特点：频率高、质点之间的位相差很大，临近质点的运动几乎相反

弹性波 声频支——声子 光频支——光子 由于材料中各质点之间存在着很强的相互作用力，一个质点的振动会使临近质点随 之振动。相邻质点间的振动存在着一定的相位差，从而使得晶格振动以弹性波的形 式（又称格波）在整个材料内传播。弹性波是多频率振动的组合波。 声频支振动特点：频率低、质点之间的位相差不大，相邻原子具有相同的振动方向。 光频支振动特点：频率高、质点之间的位相差很大，临近质点的运动几乎相反

4.无机材料的热学性能 4.1无机材料的热容

4. 无机材料的热学性能 4.1 无机材料的热容

热容：使物体升高1K所需要外界提供的能量，本质上是描述材料中分子热运动 的能量随温度而变化的物理量。 Cr=() 物质的质量不同，热容也不同。一克物质的热容称为“比热容”单位是 J/(g·K)。一摩尔物质的热容称为“摩尔热容”，单位是/(mol·K)

热容：使物体升高1K所需要外界提供的能量，本质上是描述材料中分子热运动 的能量随温度而变化的物理量。 𝑪𝑻 = ə𝑸 ə𝑻 T 物质的质量不同，热容也不同。一克物质的热容称为“比热容”单位是 J/(g · K)。一摩尔物质的热容称为“摩尔热容”，单位是J/(mol · K)

物体的热容还与它的热过程有关。加入加热过程是在恒压条件下进行的，所测定的热 熔称为比定压热容，用符号C,表示。加热过程中保持物体体积不变，所测定的热容称 为恒容热容，用符号Cv表示。 Cp=()=() C=)=() Q为热量，E为热力学能（内能），H为焓 C的测定比较简单，但C在理论上具有更重要的作用，因为它可以直接通过系统 的能量变化从理论上计算得出。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要 对外界做功（体积膨胀），所以一般有Cp>Cv。对于物质的凝聚态，C和Cv的 差异在温度不太高的情况下一般可以忽略，只有在较高温度的下，二者的差别才 比较显著

Q为热量，E为热力学能（内能），H为焓 物体的热容还与它的热过程有关。加入加热过程是在恒压条件下进行的，所测定的 热 熔称为比定压热容，用符号Cp表示。加热过程中保持物体体积不变，所测定的热容称 为恒容热容，用符号Cv表示。 Cp的测定比较简单，但Cv在理论上具有更重要的作用，因为它可以直接通过系统 的能量变化从理论上计算得出。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要 对外界做功（体积膨胀），所以一般有Cp  Cv 。对于物质的凝聚态， Cp和Cv的 差异在温度不太高的情况下一般可以忽略，只有在较高温度的下，二者的差别才 比较显著

4.1.1晶态固体热容的经验定律和经典理论 杜隆-珀替定律 恒压下元素的原子热容为25J/(molK) 经验定律 一些轻元素的原子热容除外 柯普定律 化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和

4.1.1 晶态固体热容的经验定律和经典理论 经验定律 杜隆-珀替定律 柯普定律 恒压下元素的原子热容为25 J/(mol·K) 一些轻元素的原子热容除外 化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和