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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

CHƯƠNG 8 TÍNH 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 DUNG Nhiệt dung là nhiệt lượng q cần thiết để nâng nhiệt độ của VL lên 1K Nhiệt dung riêng đẳng tích: Cv= (q/dT)v Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cp = (q/dT)p Cp>Cv Mức 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 DUNG Einstein: “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 DUNG Cv bằng 0 ở 0K và tăng nhanh theo T Mối quan hệ giữa Cv và T ở nhiệt độ thấp: Cv= AT3 A: hằng số, không phụ thuộc nhiệt độ Ở trên nhiệt độ D (nhiệt độ Debye), Cv hầu như không còn phụ thuộc T, có giá trị khoảng 3R Với nhiều VR, D xấp xỉ T phòng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
3. GIẢN NỞ NHIỆT Đa số VR: nở ra khi nung và co lại khi nguội Sự 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 T Sự thay đổi thể tích theo T: V/V0= v.T v – hệ số giãn nở thể tích theo T Ở nhiều VL, giá trị của v là dị hướng: phụ thuộc vào hướng tinh thể Ở 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 loại Nhôm 90 23,6 247 2,24 Đồng 386 16,5 398 2,27 Sắt 448 11,8 80,4 2,66 Thép 1025 486 12,5 51,9 - Đồng thau 70Cu30Zn 375 20,0 120 - Gốm Nhôm 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 - Polymer Polyetilen 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 thái ổn định): q= -k.dT/dx [W/m2] q – mật độ nhiệt thông: dòng nhiệt qua thẳng góc một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian k – hệ số dẫn nhiệt [W/m.K] dT/dx – gradient nhiệt độ qua môi trường dẫn nhiệt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12
Cơ chế dẫn nhiệt  Ở VR, nhiệt được truyền bởi cả sóng dao động mạng (phonon) và e tự do: k= kl + ke kl, ke – độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi e  Thành phần kl gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng T cao tới vùng T thấp  Ở vùng nóng của VL, e tự do có động năng lớn hơn, sẽ di chuyển đến những vùng lạnh hơn. Phần đóng góp của ke tăng theo nồng độ e tự do PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
Kim loại  KL có độ sạch cao: ke có ưu thế hơn kl  KL dẫn nhiệt tốt do có nhiều e tự do tham gia dẫn nhiệt  Tạp chất trong KL làm giảm độ dẫn nhiệt Gốm  Do không có nhiều e tự do: dẫn nhiệt kém  Thông thường, độ dẫn nhiệt giảm khi tăng T  Thể tích lỗ xốp trong gốm tăng: độ dẫn nhiệt giảm PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
Polymer Độ dẫn nhiệt thường vào khoảng 0,3 W/m.K Polymer có cấu trúc tinh thể và trật tự cao có độ dẫn nhiệt cao hơn so với VL vô định hình tương đương Có thể nâng cao tính cách nhiệt bằng cách đưa vào những lỗ xốp nhỏ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15
5. ỨNG SUẤT NHIỆT 5.1.ỨNG SUẤT DO GIÃN & CO BỊ HẠN CHẾ Xét thanh đặc, đồng chất, đẳng hướng được nung hoặc làm nguội đồng đều. Nếu chuyển động dọc trục của thanh bị khống chế  ứng suất nhiệt : = El(T0 – Tf) E – môđun đàn hồi l – hệ số giãn nở dài theo T PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
5.2. ỨNG SUẤT DO GRADIENT NHIỆT ĐỘ Khi nung hoặc làm nguội VR, sự phân bố T bên trong phụ thuộc vào các yếu tố hình học của nó, độ dẫn nhiệt của VL, chỉ số biến đổi T Ứng suất nhiệt có thể hình thành do gradient T: các biến đổi kích thước bộ phận làm hạn chế sự giãn hoặc co của những phần xung quanh PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
5.3. SỐC NHIỆT CỦA VL GIÒN  Ở VL dẻo, ứng suất nhiệt sinh ra có thể giảm nhẹ nhờ biến dạng đàn hồi; còn VL giòn: làm tăng khả năng phá hủy giòn  Nguội nhanh (tạo ứng suất kéo) dễ gây sốc nhiệt hơn nung nóng (tạo ứng suất nén)  Các biện pháp ngừa sốc nhiệt: - Giảm tốc độ nung hoặc làm nguội - Làm giảm hệ số giãn nở nhiệt của VL - Đưa lỗ xốp hoặc pha thứ 2 mềm vào VL  Có thể ủ để giảm ứng suất nhiệt trong VL PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
6. PIN NHIỆT ĐIỆN  VL ở T khác nhau sẽ có dao động nhiệt khác nhau  Dao động nhiệt ở những phần khác nhau trong VL sẽ tạo chênh lệch nồng độ điện tích  sẽ tạo điện thế dV (tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ dT)  Hiệu ứng tạo điện thế dV do chênh lệch nhiệt độ dT: hiệu ứng Seebeck, được đặc trưng bằng S: S= dV/dT (V/K) S: hệ số Seebeck, phụ thuộc bản chất VL PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 19
6. PIN NHIỆT ĐIỆN  Hiệu ứng Peltier: dòng điện đi qua các đầu nối nối 2 dây dẫn khác nhau sẽ làm nhiệt độ 2 đầu nối sai lệch tùy chiều dòng điện  Pin nhiệt điện: ứng dụng chênh lệch T → phát sinh dòng điện. Sơ đồ cấu tạo pin nhiệt điện: 2 dây KL khác nhau nối với nhau ở 2 đầu có T khác nhau  Đo T bằng Thermocouple: biết điện thế và T một đầu, có thể xác định T của đầu còn lại PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20