PPT+2+无机材料的热学性质+2011.ppt

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1、主讲教师：李志成PHYSICALPROPERTIESOFINORGANICMATERIALS无机材料物理性能无机材料的热学性能无机材料的热溶无机材料的热膨胀无机材料的热传导无机材料的热稳定性1、经验定律[1]元素的热容定律—杜隆-珀替定律(Dulong-Petitlaw)一、固体的热容——固体热容理论恒压下元素的原子热容为25J/(K·mol)。按经典理论，能量按自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能均为kT/2。一个原子有三个振动自由度，平均动能与位能的总和即为3kT。一摩尔固体中有N个原子，则其总能量为E=3NkT=3RT式中，N为阿佛加德罗常数(6.023×102

2、3/mol)，T为热力学温度，k为波尔兹曼常数(1.381×10-23J/K)，R为气体普适常数。根据热容的定义，可知：上式表明：热容量是与温度无关的常数，这就是杜隆-珀替定律。1、经验定律与经典理论一、固体的热容——固体热容理论[1]元素的热容定律—杜隆-珀替定律(Dulong-Petitlaw)杜隆·伯替定律------在室温和更高温度时，几乎全部单原子固体的热容接近3Nk，与实验值相符；但在低温时，实验值并不是一个恒定值，在接近绝对零度时，热容值与T3成正比并趋于零。一、固体的热容——固体热容理论在温度比较高时，可得到一、固体的热容——固体热容理论2、量子理论：爱因斯坦模

3、型在温度非常低时，Cv随温度按指数规律变化，比实验的T3更快的趋近与零，和实验结果有很大的差别。当T>>θD时，这即是杜隆-珀替定律一、固体的热容——固体热容理论2、量子理论：德拜模型当T<<θD时，这说明当T趋于0时，热容Cv与T3成正比。这就是著名的德拜T3定律。它与实验结果十分相符，温度越低，吻合得越好。热膨胀：物体的长度或体积随温度的升高而增大的现象。二、无机材料的热膨胀[1]热膨胀系数线膨胀系数：=ΔL/(Lo·Δt)体膨胀系数：=ΔV/(Vo·Δt)对于各向同性物体，≈3对于各向异性晶体，≈1+2+3热膨胀的本质是点阵结构中的质点间平均距离的变化。用

4、非简谐振动理论解释热膨胀机理。利用在相邻原子之间存在非简谐力或势能时，实际原子间的作用力并不简单与位移成正比。二、无机材料的热膨胀[2]热膨胀机理r0r0二、无机材料的热膨胀[3]热膨胀与其它性能的关系[A]化学键型[B]结合能、熔点[C]温度、热容[D]晶体结构H2NaClU(r)r势能曲线的不对称程度越高，热膨胀越大。离子键势能曲线的对称性比共键键的势能曲线差，所以随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。二、无机材料的热膨胀结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。[A]化学键型[B]结合能、熔

5、点[C]温度、热容[D]晶体结构单质材料ro(10-10m)结合能×103J/mol熔点(oC)l(×10-6)金刚石1.54712.335002.5硅2.35364.514153.5锡5.3301.72325.3[3]热膨胀与其它性能的关系二、无机材料的热膨胀1、受热→晶格振动加剧→引起体积膨胀(l)2、热容是升高单位温度所需要的能量两者具有相似的规律T/oCl比热容两者具有相近的变化趋势[3]热膨胀与其它性能的关系[A]化学键型[B]结合能、熔点[C]温度、热容[D]晶体结构二、无机材料的热膨胀温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀。[3]热膨胀与其它性能的关系[A

6、]化学键型[B]结合能、熔点[C]温度、热容[D]晶体结构[D]热膨胀与晶体结构的关系二、无机材料的热膨胀g/cm3：如：单斜－ZrO2四方－ZrO25.566.1液相6.27立方－ZrO227150C11700C23700C[3]热膨胀与其它性能的关系二、无机材料的热膨胀ZrO2的差热分析曲线99%ZrO2，19500C预烧1000110012001300温度（oC）[3]热膨胀与其它性能的关系[D]热膨胀与晶体结构的关系二、无机材料的热膨胀ZrO2的线膨胀系数（%）与温度的关系040080012001.20.80.4未稳定ZrO2稳定ZrO2温度（oC）[3]热膨胀与其它

7、性能的关系[D]热膨胀与晶体结构的关系结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小。对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，约在6～8×10-6/0C，升高到德拜特征温度时，增加到10～15×10-6/0C。如：MgO、BeO、Al2O3、MgAl2O4、BeAl2O4都具有较大的膨胀系数。二、无机材料的热膨胀[3]热膨胀与其它性能的关系[D]热膨胀与晶体结构的关系玻璃结构较疏松，内部空隙较多，所以温度升高，原子振幅加大，当原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳，宏