Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 8 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 8 Tính chất nhiệt của vật liệu, gồm các nội dung chính sau các nguyên lý nhiệt động; nhiệt dung; giãn nở nhiệt; dẫn nhiệt; ứng suất nhiệt; pin nhiệt điện;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 8 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 8TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 1. CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG Nhiệt độ là 1 trong 7 chuẩn cơ bản của hệ SI T được định nghĩa như thước đo dao động các phần tử cấu trúc, thứ nguyên là Kelvin (K) Độ không Kelvin: là T mà tại đó các phần tử cấu trúc (NT, PT, ion) không dao động, đứng yên ở vị trí cân bằng Khi 2 vật có T khác nhau tiếp xúc nhau, giữa chúng sẽ có sự trao đổi T cho tới lúc cân bằng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 1.1. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hệ cô lập: hệ không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài Một hệ cô lập với nhiệt lượng Q và công W biểu diễn sự thay đổi trong tính chất nội tại bản thân hệ, tính chất này gọi là nội năng E của hệ E của hệ cô lập là hàm trạng thái, chỉ phụ thuộc trạng thái đầu (1) và cuối (2), không phụ thuộc quá trình biến đổi: E= E2 – E1= Q – W Dạng vi phân: dE= Q – W PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1.2. NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC “Độ biến thiên entropi S của một hệ biến đổi thuận nghịch từ trạng thái đầu (1) đến trạng thái cuối (2)”: S= S2 – S1= fdS=f(dQ/T) Trong một quá trình nhiệt động diễn ra từ một trạng thái cân bằng này đến một trạng thái cân bằng khác, entropy của hệ hoặc không đổi hoặc tăng: dS  0 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 1.3. NGUYÊN LÝ THỨ BA CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC “Nhiệt độ “không” tuyệt đối được xác định khi các phần tử đứng yên ở nút mạng” Lưu ý: các e vẫn chuyển động PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5 2. NHIỆT DUNGNhiệt dung là nhiệt lượng q cần thiết để nâng nhiệt độ của VL lên 1KNhiệt dung riêng đẳng tích: Cv= (q/dT)vNhiệt dung riêng đẳng áp: Cp = (q/dT)pCp>CvMức chênh lệch nhiệt dung riêng giữa chất rắn và chất lỏng không cao, nhưng là đáng kể với chất khí PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6 2. NHIỆT DUNGEinstein: “Có thể coi nhiệt năng của CR như tổng các dao động điều hòa của các lượng tử độc lập (các phonon) với tần số ”Trong dao động sóng với tần số , dao động nhiệt lượng tử nhỏ nhất h được gọi là các “phonon” PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 2. NHIỆT DUNGCv bằng 0 ở 0K và tăng nhanh theo TMối quan hệ giữa Cv và T ở nhiệt độ thấp: Cv= AT3 A: hằng số, không phụ thuộc nhiệt độỞ trên nhiệt độ D (nhiệt độ Debye), Cv hầu như không còn phụ thuộc T, có giá trị khoảng 3RVới nhiều VR, D xấp xỉ T phòng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8 3. GIẢN NỞ NHIỆTĐa số VR: nở ra khi nung và co lại khi nguộiSự thay đổi chiều dài theo T: (lf - l0)/l0= l(Tf - T0) hay l/l0= l.T lf, l0 – tương ứng với chiều dài ở Tf và ở T0 l – hệ số giãn nở dài theo TSự thay đổi thể tích theo T: V/V0= v.T v – hệ số giãn nở thể tích theo TỞ nhiều VL, giá trị của v là dị hướng: phụ thuộc vào hướng tinh thểỞ các VL mà v là đẳng hướng: v  3l 9 3. GIÃN NỞ NHIỆT Tăng dần T sẽ làm tăng năng lượng dao động. Biên độ dao động trung bình của 1 NT tương ứng bề rộng của hố thế năng và khoảng cách trung bình của các NT tăng theo T (r0, r1 …) Nếu đường cong thế năng đối xứng (hình b): không có sự thay đổi khoảng cách trung bình của các NT  không có giãn nở nhiệt Năng lượng liên kết NT càng lớn, hố thế năng càng sâu và hẹp  l càng nhỏ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10 Tính chất nhiệt của một số VL Vật liệu Cp, J/kg.K 1, 10-6 oC-1 K, W/m.K L, .W/K2.10-6 Kim loạiNhôm 90 23,6 247 2,24Đồng 386 16,5 398 2,27Sắt 448 11,8 80,4 2,66Thép 1025 486 12,5 51,9 -Đồng thau 70Cu30Zn 375 20,0 120 - GốmNhôm oxit 775 8,8 30,1 -Berili oxit 1050 9.0 220 -Spinen (MgAl2O3) 790 7,6 15,0 -Silic dioxit 740 0,5 2,0 - PolymerPolyetilen 2 100 60-220 0,38 -Polypropylen 1 880 80-100 0,12 - PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11 4. DẪN NHIỆT Là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng T cao tới vùng T thấp của VL. Độ dẫn nhiệt (dòng nhiệt ở trạng ...