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材料的熱學性能及試驗概述

2018-08-22 13:27:58 作者：本網整理來源：材易通分享至：

本文將從材料的熱容、熱膨脹、熱傳導、熱擴散、熱輻射、熱穩定性等方面對材料的熱學性能進行描述。

1 材料的熱容量

1.1 概述

熱容量（C）是是指在不發生相變和化學反應時，材料溫度降低或升高1K時所需要的熱量（Q）。

C = dQ/dT

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

熱容量與過程有關，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）。

對于處于凝聚態的材料，Cv和Cp兩者差別較小，試驗中只能測定定壓熱容量。在高溫時，二者相差較大。

熱容量是結構不敏感性能，與材料的結構關系不大，具有加和性，但當有相變發生時，熱容會發生突變。

當溫度遠高于德拜溫度（θD）時，固體的熱容遵循經典規律，即符合杜隆一珀替（Dulong-Petit）定律，是一個與構成固體的物質無關的常量，即Cv=3R（Cv為定容比熱）。反之，當溫度遠低于德拜溫度時，熱容將遵循量子規律，而與熱力學溫度的三次方成正比，隨著溫度接近絕對零度而迅速趨近于零，后一結論又稱為德拜定律。

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。對簡單的由離子鍵和共價鍵組成的陶瓷材料，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）是單位質量的熱容量，即單位質量的物質溫度升高（或降低）1K可吸收的熱量。比熱容的單位是復合單位J/（kg·K）。

根據科珀-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

（材料的各種熱學性能均與晶格熱振動有關，晶格振動以彈性波的形式在材料內傳播）

1.2 比熱容的測量方法

比熱容的測量方法是測試比熱容的實驗技術。比熱容分為平均比熱容和微分比熱容（真實比熱容）。平均比熱容是指單位物質在T1到T2溫度范圍內溫度升高1K所需要的熱量；微分比熱容是單位物質在給定的溫度T時升高1K所需要的熱量。

比熱容的測量結果常與美國國家標準技術研究院（https://www.nist.gov）公布的參考值進行對比。

比熱容測量方法比較

1.2.1 絕熱量熱計法

絕熱量熱計法是將封閉在一個絕熱環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量而計算材料微分比熱容。

適用的溫度范圍：4.2~1900K。

精度：低溫區域內誤差不超過0.5%~1.2%，超過100K誤差增加，高溫時為2%~5%。

絕熱量熱計分為梁總：1）等溫熱屏量熱計，2）絕熱屏量熱計。

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

注意事項：（1）準確測量比熱容的關鍵是防止樣品銅周圍環境發生熱交換，應采用系統抽空除氣和樣品外圍安裝輻射屏蔽的辦法，以防止試樣與環境的對流、傳導和輻射交換；（2）調節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，保證試樣與周圍環境沒有熱交換；（3）在低溫下試驗可根據不同需要采用不同的恒溫浴的介質，如液氦、液氫、液氨、干冰或酒精等。

絕熱量熱儀總體結構示意圖