金属的热性能等

1、2-3 导热性,一、热的概念 什么是热、热量和热平衡 热 组成物质的大量微观粒子(分子、原 子、正离子和自由电子)无规则运动 产生能量的一种表现称。 产生热的原因：,自由电子的移动,分子、原子、正离子的振动,产生能量 (内能) (热能),动能 势能,2-3 导热性,一、热的概念 什么是热、热量和热平衡? a.热 组成物质的大量微观粒子(分子、原 子、正离子和自由电子)无规则运动 产生能量的一种表现称。 产生热的原因：,自由电子的移动,分子、原子、正离子的振动,产生能量 (内能) (热能),动能 势能,内能：物体内部所有分子热运动的动能与分子 势能的总和。 分子动能：由于分子热运动而具有的能。 分子势能：由于分子间存在着相互作用而具有 的能。,b. 热量任何物体(系统)都具有内能,可以通 过热传递与做功(摩擦生热就是指这个， 机械能转化为热能)来提高物体内能，而 通过热传递所产生的热能就称为热量。 用Q表示热量，热量的国际单位是焦耳(J)， 但习惯上常用卡(cal)。,吸热(放热)或做功包括对内对外： 对内做功(吸热)，内能 温度 对外做功(放热)，内能 温度,在热传递过程中，因存在温度

2、差，所以物体(系统)吸收或放出能量即热量。,c. 热平衡 当两个(或两个以上)不同温度的物质处于热 接触时，它们便交换内能，直至双方(或各方)温 度达致完全相等的状态称热平衡。 即： Q吸 = Q放,在表示“热”时的区别： “今天天气热”中的“热”是指温度； “摩擦生热”中的“热”是指内能； “融化吸热”中的“热”是指热量。,什么是热函(比热) 热函单位质量(m)的某种物质，当温度(T) 升高(或降低)1时，吸收(或放出)的 热量(Q)称为这种物质的热函(比热)。,比热的表达式,式中：T1 初温(K)，T2 末温(K) Q 从T1升高到T2所需的热量(能量)(J) Q0时为吸热，Q0时为放热 m 物体的质量(kg),二、导热性 1. 导热机理 在所有固体中，晶格结点的热振动总是热传递的主要机理之一； 原因： 在温度的作用下，晶格结点的振动产生热, 振动具有一定的振幅(有高有低)，结点的振动对 邻近其它的结点施加了相互作 用力，结果使高振幅能量向低 振幅能量转移，发生热传递。 低振幅能量增大， 高振幅能量减小。,晶格结点的振动,对于金属来说，自由电子的运动过程中参加 导热，也是热传递的主

3、要机理之一。 原因： 自由电子在运动过程中要发生与晶格结点 的碰撞，同时发生能量的转换。即晶格结点振 动产生的热量传递给自由 电子，使自由电子在碰撞 中增加了能量。 对纯金属来讲，自由 电子对导热的贡献比晶格 结点振动的贡献大得多。,自由电子运动产生碰撞示意图,热传递热从温度高的物体传到温度低的物 体，或者从物体的高温部分传到低 温部分，这种现象称。 热传递的特点： 只要物体之间或同一物体的不同部分之间存 在温度差，就会有热传递现象发生，并且将 一直继续到温度相同的时候为止。 发生热传递的唯一 条件是存在温度差,2. 热传递,室温,开水温度100,热传递,热传递与物体的状态，物体间是否接触都无 关。 热传递的结果是温差消失，即发生热传递的 物体间或物体的不同部分达到相同的温度。,电风扇运动示意图,(b),(a),导电线芯产生热量,绝缘材料产生热量,护层材料产生热量,电线电缆在运行初期 中产生热量的示意图,在热传递过程中，物质并未发生迁移。 只是： 高温物体放出热量，温度降低，内能减少； 低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。 因此，热传递的实质就是内能从高温物体 向低温物体转移的过程，

4、这 是能量转移的一种方式。,运行中的电线电缆 产生热量示意图,T0自然界温度,T1运行温度,第一种形式：热传导 热传导从物体温度较高的部分沿着物体传 到温度较低的部分称。 热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。 各种物质都能够传导热，但是不同物质的传热本领不同。 善于传热的物质叫做热的良导体， 不善于传热的物质叫做热的不良导体。 各种金属都是热的良导体，其中最善于传热的是银，其次是铜和铝。 气体比液体更不善于传热。,3. 热传递的三种形式,第二种形式：对流 对流指液体或气体中较热部分和较冷部分 之间通过循环流动而使温度趋于均匀 的过程称。 对流是液体和气体中热传递的主要方式， 气体的对流现象比液体更明显。 利用对流加热或降温时，必须同时满足两个条件：一是物质可以流动，二是加热方式必须能促使物质流动。 对流的种类 自然对流；强迫对流(电风扇和水等)。,第三种形式：热辐射 热辐射 物体因自身的温度而具有沿直线向 外发射能量的本领称。 热辐射是远距离传热的主要方式。 用辐射方式传递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。 地球上得到太阳的热，

5、就是太阳通过辐射的方式经 过宇宙空间再传给地球的。 一般情况下，热传递的 三种方式往往是同时进行的。,太阳辐射示意图,4. 热导率(导热率) 热导率,金属的导热性比非金属要高的多，原因是金属中的自由电子参加传递热量的缘故，所以导热率是以自由电子的存在作为先决条件。 金属的导热性的高低用导热率(K)来表示,表达式为：,K = (1/3)v C1N,式中： v 电子无秩序运动的平均速度 C1 电子热容 N 单位体积中的电子数 电子自由行程的平均长度,N 热能 K v 热能 K K 影响很大 C1 影响不大,热导率与电导率的关系,除以电导率,将金属的热导率 K = (1/3)v C1N,可以简化得到：,K、与 T 的关系：T K ,式中：k 玻尔兹曼常数,4. 热膨胀 热膨胀 物体在温度改变时发生胀缩的现象称。 原因： 微观 晶格在做热振动时，原子(正离子) 间的振幅增大，使原子(正离子)间 的距离增大；另外晶格的振动是不 对称的，是杂乱无章的。,晶格在温度改变发生胀缩示意图,(a)室温下,(b)高温下,2-4 磁 性 概 述,磁性材料是重要的三大电工材料之一。 磁性材料指纯金属和合金 导电

6、材料 三大电工材料 绝缘材料 磁性材料 磁性材料的主要作用利用其特性进行电、机械、声、 光等能量的转换。 磁性材料在电工技术及无线电技术中获得广泛的应用： 如：电气设备、电子仪器、仪表、通信及计算机等方面。 磁性材料已成为现代电子、电力、能源、信息等工 业的重要支柱。,(一)磁性 1. 磁性在物质(金属)结构中，每个电子沿电子轨 道运动的同时还做着自旋运动，电子运动 产生磁的性能称为。 特点： 磁性是物质的基本属 性之一，不同的物质 导磁能力不同； 由不同的磁性物质所 组成的材料，其磁的 性能与用途也各不同。,一、磁性和磁化现象(近代物理学中的量子力学证明),电子运动模型,2. 电子运动的特点： 电子在轨道运动中表现为: 电子以一定的频率围绕原 子核在所占据的轨道上作 圆周运动，同时电子绕着 自己中心的轴，以一定的 角速度作自旋运动； 由于电子具有质量，在轨 道上运动也就具有动量距; 由于电子带有电荷，电荷 电子运动模型 的运动产生磁矩。 电子沿轨道运动可以看成是一种闭合(环形)电流， 就像通电线圈一样，就会产生磁矩。,电子自旋磁矩电子自旋运动产生的磁矩称， 用 S 表示。 S=2mS

7、B mS 自旋量子数 电子自旋对任何外磁场只能取正负两个方向，即： 1 mS= 2 原子核磁矩 原子核是带正电荷的 ，虽没有轨道运动，但是有自 旋运动，它对原子总磁矩也有一定的贡献，但原子核磁 矩非常小，约为电子磁矩的1/2,000，所以，可以忽略不 计。,二、磁性的基本量 1. 磁化强度(M) 由于物质中原子或分子的总磁矩的大小不同，以及 它们之间相互作用的不同，使得不同结构的物质在外磁 场作用下表现出的磁性强弱有很大的差异。 通常用磁化强度(M)来表示物质磁性的强弱。 磁化强度(M)是单位体积中各单元磁矩(M0)的矢量和。 2. 外磁场强度(H) 若真空时，某空间的磁场强度为(H0)，放入物质后， 物质因磁化使它所在的空间磁场发生变化，即产生一个 附加磁场(H)，那么该空间总的磁场强度(H)应为这两 个磁场强度的矢量和，即： H =H0+H,3. 磁化系数() 物质的磁化是由外磁场引起的，所以磁化强度(M) 与外磁场强度(H)之间存在着正比关系，即： M= H 比例系数 称为物质单位体积磁化率或磁化系数， 磁化系数表示物质的磁化能力。 4. 磁感应强度(B) 磁感应强度是表征磁场状

8、态的基本物理量。它是一 个矢量。 5. 磁导率() 根据物理学可知，磁感应强度与磁化强度及磁场强 度有如下关系： B=H+M=H+ H=(1+ )H= H= 0rH 磁导率是表征物质的导磁性能物理量, 称为物质的磁导率 0 称为真空磁导率(可用实验方法确定) r 称为物质的相对磁导率 即： r = /0 通常用相对磁导率r来表示物质的导磁能力或导磁性能。 r 越大，表示物质的导磁性能越好 自然界的物质按其导磁性能可分为三类： 抗磁性物质或反磁性物质或逆磁性物质 顺磁性物质 强磁性物质或铁磁性物质,三、抗磁性物质或反磁性物质或逆磁性物质 1. 抗磁性物质的特点： 相对磁导率r 稍小于1； 磁化系数或磁化率0 。 2. 在无外磁场情况下： 凡组成物质的原子(分子或离子)没有磁矩时，则该物 质属于抗磁性物质； 处于自由状态的原子很多都具有一定的磁矩，但它们 结合成分子或固体时，往往失去磁矩(磁矩互相抵消)。 属于抗磁性物质； 具有惰性气体结构的离子晶体以及靠电子配对耦合而 成的共价键晶体，形成的是饱和的电子结构，没有原 子磁矩，因此属于抗磁性物质。,抗磁性 在外磁场作用下，电子进动产生的一个

9、附加磁矩 ，其方向总是和外磁场方向相反，因此产生了抗磁性。 物质之所以具有抗磁性，是因为电子进动在外磁场作用下产生了抗磁磁矩所造成的。 上述理论适合所有作轨道运动的电子，而所有物质中的原子都有这种电子，故所有物质都含有抗磁性。 在抗磁性物质中，每个分子的分子磁矩为零，仅在外磁场作用下，才有附加磁矩。 所以附加磁矩才是抗磁性物质产生磁效应的唯一原因。,但不能讲任何物质都是抗磁性物质，对于顺磁性和铁磁性物质来说，抗磁性的磁化率(0)相对很小，可以忽略不计。 由于抗磁性的磁化率很小，一般没有磁方面的实用价值。 氢气、惰性气体、以及一切有机物质都有抗磁性； 一系列金属元素铜、银、金、汞、铋、镓、锑、石墨等也都是抗磁性物质。,塑性加工 磁性材料在加工过程中，如：压延、拉伸、弯曲、 冲剪等，会使磁性材料内部结构的部分晶格发生扭曲、 滑移，从而造成内部的磁畴在外磁场作用下不易转向， 因此带来不易磁化的后果。 热处理 在金属类磁性材料进行各种机械加工时，会使金 属内部产生应力，而内应力的出现会使材料的磁导率 下降，损耗增加。为此，必须采用退火处理以消除应 力，恢复材料原来的磁性。,2-5 力学(机械)性能 概 述,金属的机械性能 金属材料在外力作用下抵抗各种形 式机械负荷的能力称。,外力,可单独或同时承受,拉伸力 压力 弯曲 剪切 扭转 震动 冲击等,拉伸,压缩,弯曲,空位,杂质,实际金属晶体结构,金属表面的锈斑,金属的工程强度(宏观强度),一、抗张强度(抗拉或拉伸强度),机械强度 抗拉强度单位截面积的金属抵抗拉力破 (b) 坏的最大能力称(Pa)。 拉断力 金属在均匀的拉力作用下，逐渐 (Pb) 拉细直至拉断时所需的负荷(N)。 拉断力与抗拉强度的关系为：,b = Pb / F0,F0 垂直拉力

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