热膨胀与其他物理性能的关系..

第一章材料热学性能内容概要：本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容，并简述其物理本质。

主要内容和学时安排如下：第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容；理解温度、相变等对热容的影响；了解热容的几种测量方法，对热分析法的原理和应用要重点理解。

第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质；了解热膨胀的测量方法；理解热膨胀分析方法在材料中的应用。

第三节材料的热传导掌握热传导定律；热传导的物理本质；理解热传导的影响因素。

（共6个学时）第一节 材料的热容一、热容的定义：不同的物体升高相同的热量时其温度会不同，温度升高1K 所需要的能量定义为热容： ∆T ∆=Q C 定容热容：如果在加热过程中，体积不变，则所提供的热量全部用于粒子动能（温度）的增加，用Cv 表示 ()V V Q C ∆=∆T定压热容：如果在加热过程中保持压力不变，则物体的体积自由膨胀，这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度，一部分用于体系对外做功，用Cp 表示()()V V V Q U P V U C T ∆∆+∆∆===∆T ∆∆T ()()()()()P P P P P P Q U P V U V H C P T T T∆∆+∆∆∆∆===+=∆T ∆∆T ∆∆ T c m H =c 为0-TK 时平均比热容，即质量为1Kg 的物质在没有化学反应条件下，温度升高1K 时所需的热量，单位为J/（Kg.K ）定压热容>定容热容，一般实验测得的是恒压热容CpTQ m C P ∆∆=1 即在T T T -+∆温度范围内的平均热容： 当0T ∆→时，P C 即可认为是TK 时的热容dTdQ m C P 1= 摩尔恒压热容：1mol 物质在没有化学反应和相改变条件下，升高1K 所需的能量，用C pm 表示 摩尔恒容热容：KT V v C C m Vm Pm 2∂=- M C C P Pm =（M 为摩尔质量）二、热容理论实验发现：在不发生相变条件下，多数物质的热容Cv 在高温下，逐于一恒定值；低温区3V C T ∝；0T →时，0V C =。

1.热容：热容是使材料温度升高1K所需的热量。

公式为C=ΔQ/ΔT=dQ/dT (J/K)；它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，与材料的质量、组成、过程、温度有关。

在加热过程中过程不同分为定容热容和定压热容。

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所需的热量称为比热容每个物质中有两种比热容，其中c p＞c v，c v不能直接测得。

3.摩尔热容：1mol的物质在没有相变或化学反应条件下升高1K所需的能量称为摩尔热容，用Cm表示，单位为J/(mol·K)4.热容的微观物理本质：材料的各种性能（包括热容）的物理本质均与晶格热振动有关。

5.热容的实验规律：1.对于金属:2.对于无机材料（了解）1.符合德拜热容理论，但是德拜温度不同，它取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。

2.对于绝大多数氧化物，碳化物，摩尔热容都是从低温时一个最低值增到到1273K左右近似于3R，温度进一步升高，摩尔热容基本没有任何变化。

3.相变时会发生摩尔热容的突变4.固体材料单位体积热容与气孔率有关，多孔材料质量越小，热容越小。

因此提高轻质隔热砖的温度所需要的热量远低于致密度的耐火砖所需的热量。

6.经典理论传统理论不能解决低温下Cv的变化，低温下热容随温度的下降而降低而下降，当温度接近0K时热容趋向于07.量子理论1.爱因斯坦模型三个假设：1.谐振子能量量子化2.每个原子是一个独立的谐振子3.所有原子都以相同的频率振动。

爱因斯坦温度：爱因斯坦模型在T >> θE 时，Cv，m=3R,与实验相符合，在低温下，T当T << θE时Cv，m比实验更快趋于0，在T趋于0时，Cv,m也趋于零。

爱因斯坦模型不足之处在于：爱因斯坦模型假定原子振动不相关，且以相同频率振动，而实际晶体中，各原子的振动不是彼此独立地以同样的频率振动，而是原子间有耦合作用，点阵波的频率也有差异。

温度低尤为明显2.德拜模型德拜在爱因斯坦的基础上，考虑了晶体间的相互作用力，原子间的作用力遵从胡克定律，固体热容应是原子的各种频率振动贡献的总和。

〈〈材料物理性能〉〉基础知识点一，基本概念:1.摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下,温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容.它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

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，温度升高1K所需要的热量称为比热容。

它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

3.比容：单位质量（即1kg物质)的体积，即密度的倒数（m3/kg)。

4.格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用,因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动.因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播,而形成“格波”。

5.声子（Phonon）: 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子,就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。

6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布，其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。

7.示差热分析法(Differential Thermal Analysis，DTA ）：是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线)的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT～T（t),从而对材料组织结构进行分析的一种技术。

8.示差扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。

9.热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击)而不致破坏的能力.10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时,若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。

11.玻尔帖效应:当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。

描述热膨胀系数和变形的关系一、热膨胀系数的概念热膨胀系数是衡量物体温度变化时体积或长度变化程度的物理量。

当物体的温度发生变化时，其尺寸（如长度、体积）也会发生变化。

热膨胀系数越大，物体在温度变化时的尺寸变化越明显。

二、热膨胀系数的计算公式热膨胀系数（α）的计算公式为：α = ΔL / (L0 * ΔT)其中，ΔL 表示物体长度的变化量，L0 表示物体在初始温度下的长度，ΔT 表示温度变化量。

三、变形与热膨胀系数的关系1.直接关系：物体的热膨胀系数越大，其在温度变化时的长度或体积变化越明显。

2.反比关系：物体的热膨胀系数越小，其在温度变化时的长度或体积变化越不明显。

四、热膨胀系数与材料性质的关系1.不同材料的热膨胀系数不同：一般来说，金属的热膨胀系数较大，而非金属（如玻璃、塑料等）的热膨胀系数较小。

2.热膨胀系数与材料的密度、弹性模量等有关。

五、热膨胀系数在实际应用中的举例1.建筑领域：考虑建筑物在温度变化时的热膨胀，以避免因温度引起的裂缝等问题。

2.电子领域：热膨胀系数用于衡量电子元器件在温度变化时的尺寸变化，以保证元器件的正常工作。

3.材料科学：热膨胀系数是衡量材料性能的一个重要指标，对材料的选择和应用具有重要意义。

热膨胀系数是衡量物体温度变化时尺寸变化程度的物理量，与物体的材料性质有关。

了解热膨胀系数与变形的关系，有助于我们更好地理解和应用相关知识，解决实际问题。

习题及方法：1.习题：一块铁块在20℃时长度为1米，当温度升高到100℃时，其长度变为1.1米。

求该铁块的热膨胀系数。

根据热膨胀系数的计算公式，有：α = ΔL / (L0 * ΔT)将已知数值代入公式，得：α = (1.1m - 1m) / (1m * (100℃ - 20℃)) = 0.1m / (1m * 80℃) = 1/800℃答案：该铁块的热膨胀系数为1/800℃。

2.习题：一铜管在0℃时长度为0.5米，当温度升高到50℃时，其长度变为0.55米。

不同金属材料的热膨胀系数对电子元器件的影响热膨胀是指物体在温度变化时产生的尺寸变化现象。

在电子元器件的设计和制造过程中，热膨胀系数是一个重要的考虑因素。

不同金属材料具有不同的热膨胀系数，对电子元器件的性能和可靠性产生一定的影响。

本文将探讨不同金属材料的热膨胀系数对电子元器件的影响。

一、热膨胀系数的定义和意义热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，简称CTE）是指物体单位温度变化时，长度、面积或体积等尺寸变化的比例关系。

它是一个衡量物质热膨胀程度的物理参数，通常用α表示。

热膨胀系数的值越大，表示材料的热膨胀能力越强，相同温度变化下尺寸变化越明显。

对于电子元器件来说，材料的热膨胀系数与元器件的稳定性和可靠性密切相关。

由于电子元器件在工作过程中会产生热量，因此材料的热膨胀系数对元器件的尺寸稳定性和结构的静态或动态变形有着重要影响。

二、不同金属材料的热膨胀系数对电子元器件的影响1. 热应力引起的损坏电子元器件通常由多种金属材料组成，而这些材料的热膨胀系数不同。

当电子元器件在温度变化时，不同材料之间的热膨胀差异会导致内部应力的积累。

如果应力过大，就会引起元器件的裂纹、变形或其他损坏，从而影响其性能和寿命。

2. 过热导致的接触不良电子元器件中的电路连接通常使用金属连接器。

当温度发生变化时，金属材料的热膨胀会导致连接器的尺寸变化，进而影响连接的紧密度和可靠性。

如果热膨胀系数不匹配，连接器可能会松动或断开，导致电子元器件的接触不良，从而影响设备的正常工作。

3. 温度变化导致的电性能变化电子元器件的电性能也可能受到材料热膨胀系数的影响。

例如，电阻器的电阻值会随温度的变化而发生变化，这就需要考虑材料的热膨胀系数。

如果阻值随温度变化过大，可能导致电子元器件在工作温度范围内无法满足设计要求。

四、解决方法为了减小材料热膨胀系数对电子元器件的影响，可以采取以下措施：1. 材料选择：根据元器件的工作条件和特性，选择热膨胀系数较小的材料。

cte热膨胀系数CTE热膨胀系数是指温度变化时，一种物体的尺寸变化程度，也被称为热膨胀率，它直接反映了材料或物体物理属性的变化。

CTE (Coefficient of Thermal Expansion)在精密件制造和装配行业中广泛使用，正是由于CTE和其他物理特性之间的相互影响，使精密件产生了许多变形，但它们也可以通过制造和装配技术的优化来改善整体的性能。

CTE热膨胀系数是弹性模量（Young Modulus）和剪切模量（Shear Modulus）的一个重要指标，它能够定量反映温度变化时各种材料及物体尺寸变化的情况。

例如，当一个材料或物体的温度增加1摄氏度时，它的尺寸将增加CTE热膨胀系数（表示为α）对应的百分比。

由于CTE影响着材料表面的表现，这就意味着它会影响材料或物体的形状。

例如，若某物体的CTE较大，就可能使它更容易弯曲或压缩，从而影响精密件的制造和装配。

此外，CTE的不同会导致材料之间的热键力减弱，这也会对精密件的制造和装配产生影响。

精密件的制造和装配要求高精度，因此，要求CTE越小越好。

这里，可以考虑使用低CTE材料，以及调整CTE差异，两种方法都可以使精密件保持更高的精度，但是需要注意在这两种方法之间的用途。

CTE的影响主要取决于材料的性能，因此，要确保精度，非常重要的一点就是要选择正确的材料，例如，考虑到精度要求，一些低CTE的金属或塑料可能是更理想的材料。

此外，在此过程中，要考虑到其他物理特性，例如强度、硬度和耐磨等，以及制造和装配技术，例如热处理、焊接和机械加工等。

在精密件制造和装配领域，CTE热膨胀系数是物体物理属性变化的关键指标，它可以决定材料的物理性能，并影响精密件的制造和装配。

因此，要提高精密件的性能，最佳的做法是选择正确的材料，并采取合理的制造和装配程序，以控制CTE变化，从而实现精密件最佳性能。

热膨胀与热膨胀的应用热膨胀是指物质在受热后体积会发生变化的物理现象。

当物体受热时，其内部分子的热运动增强，相互之间的距离变大，导致整体物体的体积增加。

热膨胀是一个普遍存在的现象，广泛应用于各个领域。

本文将探讨热膨胀的原理、计算方法以及其在实际生活和工程中的应用。

一、热膨胀的原理物质的热膨胀与其分子之间的相互作用有着密切的关联。

在固体中，分子结构相对稳定，但仍然会受到温度变化的影响。

当物体受热时，分子的平均热运动速度增大，分子之间的空隙变大，从而导致整体物体的体积增加。

对于液体和气体而言，热膨胀的程度要大于固体。

在液体中，分子之间的相互作用较弱，热膨胀更为明显。

气体则更加自由，因此热膨胀效应最为突出。

二、热膨胀的计算方法热膨胀的计算可以基于线性热膨胀系数来进行。

线性热膨胀系数是指单位温度变化时，物质单位长度（或体积）的变化量。

具体计算方法如下：对于线性热膨胀系数α：热膨胀量ΔL = α × L0 × ΔT其中，ΔL为热膨胀量，L0为初始长度（或体积），ΔT为温度变化量。

三、热膨胀的应用1. 桥梁结构在桥梁等大型工程中，由于气温季节性变化或日夜温差，桥梁结构会发生热胀冷缩的变化。

合理利用热膨胀特性，能够降低桥梁结构所承受的应力，增加其稳定性。

同时，桥梁的设计中也需要考虑到热膨胀对结构的影响，以防止因过大的膨胀而导致损坏。

2. 水利工程在水利工程中，水闸、堤坝等建筑物会因为温度变化而引起热膨胀。

因此，结合热膨胀特性，合理设计工程结构材料和构造，能够有效解决温度变化对工程的影响。

同时，温度变化也会对水流量、水位等方面产生影响，因此在水利工程中需要充分考虑热膨胀的影响。

3. 密封装置热膨胀特性在密封装置方面也扮演着重要的角色。

例如，在机械密封中，由于零件受热引起的热膨胀，可能会影响到密封的性能。

因此，在设计机械密封时，需要考虑热膨胀带来的尺寸变化，以保证密封装置的可靠性。

4. 温控设备利用物体热膨胀原理，可以设计制造出各类温控设备。

比热、导温系数、热膨胀系数比热、导温系数、热膨胀系数是热学中的重要概念和物理量，它们在研究和应用热现象时起着关键的作用。

本文将分别介绍比热、导温系数和热膨胀系数的定义、特性和应用，并探讨它们之间的关系。

一、比热比热是物质单位质量在吸收或放出热量时温度变化的程度的度量。

比热的定义可以是单位质量物质所吸收或放出的热量与温度变化之比。

比热的单位是焦耳/千克·开尔文（J/kg·K）。

不同物质的比热不同，这是因为物质的内部结构和分子之间的相互作用不同。

一般来说，原子量较大的物质比热较小，而原子量较小的物质比热较大。

比热还与物质的状态（固体、液体或气体）有关，同一物质在不同状态下的比热也不同。

比热在工程领域有广泛的应用。

例如，在设计加热系统时，需要考虑物质的比热来确定所需的加热功率。

此外，比热还被用于计算物质的热容量和热能转换。

二、导温系数导温系数是物质传导热量的能力的度量。

它描述了单位时间内单位面积上的热能传导量与温度梯度之间的关系。

导温系数的单位是瓦特/米·开尔文（W/m·K）。

导温系数取决于物质的导热性质和结构。

导热性能好的物质通常具有较高的导温系数，而导热性能差的物质导温系数较低。

导温系数在热传导理论和热工程中具有重要意义。

在热传导理论中，导温系数是一个重要的物理参数，用于描述热能如何在物质中传播。

在热工程中，导温系数被用于计算材料的热传导、热阻和热导率，以及设计和优化热交换设备。

三、热膨胀系数热膨胀系数是物质在温度变化时体积变化的程度的度量。

它描述了单位温度变化下单位长度的线膨胀量。

热膨胀系数的单位是1/开尔文（1/K）。

热膨胀系数与物质的结构和性质密切相关。

一般来说，固体的热膨胀系数较小，液体的热膨胀系数较大，气体的热膨胀系数更大。

此外，不同物质的热膨胀系数也不同。

热膨胀系数在工程领域中具有广泛的应用。

例如，在建筑结构的设计中，需要考虑材料的热膨胀系数以避免由于温度变化引起的结构变形。