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材料的熱學(xué)性能及試驗(yàn)概述

2018-08-22 13:27:58 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材易通分享至：

本文將從材料的熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散、熱輻射、熱穩(wěn)定性等方面對(duì)材料的熱學(xué)性能進(jìn)行描述。

1 材料的熱容量

1.1 概述

熱容量（C）是是指在不發(fā)生相變和化學(xué)反應(yīng)時(shí)，材料溫度降低或升高1K時(shí)所需要的熱量（Q）。

C = dQ/dT

熱容量與材料的量有關(guān)。單位質(zhì)量的熱容叫比熱容，單位J/（kg·K），1mol物質(zhì)的熱容量稱為物質(zhì)的摩爾熱容量（moolar heat capacity），單位J/（mol·K）。

熱容量與過程有關(guān)，定壓過程和定容過程是最主要的過程。如果加熱（或降溫）過程中體積不變，物體溫度升高（或降低）1K所吸收的熱量稱為定容熱容量（Cv）；如果加熱（或降溫）過程中壓力不變，物體溫度升高（或降低）1K所吸收的熱量稱為定壓熱容量（Cp）。

對(duì)于處于凝聚態(tài)的材料，Cv和Cp兩者差別較小，試驗(yàn)中只能測(cè)定定壓熱容量。在高溫時(shí)，二者相差較大。

熱容量是結(jié)構(gòu)不敏感性能，與材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，具有加和性，但當(dāng)有相變發(fā)生時(shí)，熱容會(huì)發(fā)生突變。

當(dāng)溫度遠(yuǎn)高于德拜溫度（θD）時(shí)，固體的熱容遵循經(jīng)典規(guī)律，即符合杜隆一珀替（Dulong-Petit）定律，是一個(gè)與構(gòu)成固體的物質(zhì)無(wú)關(guān)的常量，即Cv=3R（Cv為定容比熱）。反之，當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于德拜溫度時(shí)，熱容將遵循量子規(guī)律，而與熱力學(xué)溫度的三次方成正比，隨著溫度接近絕對(duì)零度而迅速趨近于零，后一結(jié)論又稱為德拜定律。

熱容隨溫度變化曲線（θD—德拜溫度）

金屬中存在大量的自由電子，使得金屬的熱容隨溫度變化的曲線不同于其他鍵合晶體材料。對(duì)簡(jiǎn)單的由離子鍵和共價(jià)鍵組成的陶瓷材料，其熱容與溫度的辨析更符合德拜模型，但不同材料的德拜溫度θD不同。

比熱容（specific heat capacity, c）是單位質(zhì)量的熱容量，即單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高（或降低）1K可吸收的熱量。比熱容的單位是復(fù)合單位J/（kg·K）。

根據(jù)科珀-奈曼（Kopp-Neumann）定律，即化合物的比熱容等于組成元素的比熱容的總和，合金的比熱容等于每個(gè)組分元素的原子熱容和重量百分比乘積的綜合。

晶體中格波示意圖

（材料的各種熱學(xué)性能均與晶格熱振動(dòng)有關(guān)，晶格振動(dòng)以彈性波的形式在材料內(nèi)傳播）

1.2 比熱容的測(cè)量方法

比熱容的測(cè)量方法是測(cè)試比熱容的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。比熱容分為平均比熱容和微分比熱容（真實(shí)比熱容）。平均比熱容是指單位物質(zhì)在T1到T2溫度范圍內(nèi)溫度升高1K所需要的熱量；微分比熱容是單位物質(zhì)在給定的溫度T時(shí)升高1K所需要的熱量。

比熱容的測(cè)量結(jié)果常與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（https://www.nist.gov）公布的參考值進(jìn)行對(duì)比。

比熱容測(cè)量方法比較

1.2.1 絕熱量熱計(jì)法

絕熱量熱計(jì)法是將封閉在一個(gè)絕熱環(huán)境中的試樣直接通電加熱，通過記錄所加電能、試樣溫度增加量及試樣的質(zhì)量而計(jì)算材料微分比熱容。

適用的溫度范圍：4.2~1900K。

精度：低溫區(qū)域內(nèi)誤差不超過0.5%~1.2%，超過100K誤差增加，高溫時(shí)為2%~5%。

絕熱量熱計(jì)分為梁總：1）等溫?zé)崞亮繜嵊?jì)，2）絕熱屏量熱計(jì)。

方法：（1）連續(xù)加熱法，在全部試驗(yàn)過程中對(duì)試樣一直進(jìn)行電加熱，并控制使熱屏與試樣的溫度始終保持一致；（2）周期加熱法，在沒有進(jìn)行電加熱時(shí)，使樣品與熱屏溫度處于平衡狀態(tài)，在限定時(shí)間內(nèi)通電加熱使試樣有很小的升溫。

注意事項(xiàng)：（1）準(zhǔn)確測(cè)量比熱容的關(guān)鍵是防止樣品銅周圍環(huán)境發(fā)生熱交換，應(yīng)采用系統(tǒng)抽空除氣和樣品外圍安裝輻射屏蔽的辦法，以防止試樣與環(huán)境的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射交換；（2）調(diào)節(jié)并控制熱屏的溫度跟蹤試樣的溫度，使兩者的溫度始終保持一致，保證試樣與周圍環(huán)境沒有熱交換；（3）在低溫下試驗(yàn)可根據(jù)不同需要采用不同的恒溫浴的介質(zhì)，如液氦、液氫、液氨、干冰或酒精等。

絕熱量熱儀總體結(jié)構(gòu)示意圖