ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ. Υλικά Ι. Ενότητα 7: Θερμικές Ιδιότητες. Δημήτρης Παπάζογλου Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Υλικά Ι Ενότητα 7: Θερμικές Ιδιότητες Δημήτρης Παπάζογλου Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών

2 Άδειες Χρήσης - Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται στην άδεια χρήσης Creative Commons και ειδικότερα Αναφορά - Μη εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγο Έργο v. 3.0 (Attribution Non Commercial Non-derivatives) - Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Κρήτης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 ΤΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΚΡΗΣΗ ΣΜΗΜΑ ΕΠΙΣΗΜΗ ΚΑΙ ΣΕΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΛΙΚΧΝ

5 7 Θεξκηθέο Ιδηόηεηεο

6 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεπμοσωπηηικόηηηα Θεπμική διαζηολή Θεπμική αγωγιμόηηηα Θεπμική ηάζη

7 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκνρσξεηηθόηεηα Η ζεξκνρσξεηηθόηεηα εθθξάδεη ηελ ηθαλόηεηα ηνπ πιηθνύ λα απνξξνθά ζεξκόηεηα από ην πεξηβάιινλ πξνζθεξόκελε ζεξκόηεηα C dq dt κεηαβνιή ζεξκνθξαζίαο J mole K Θεξκνρσξεηηθόηεηα αλά κνλάδα κάδαο Εηδηθή ζεξκόηεηα C c m

8 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο - Θεξκνρσξεηηθόηεηα C V dq dt V C P dq dt P ππό ζηαζεξό όγθν ππό ζηαζεξή πίεζε Γεληθά: C P C V C V C P Όιε ε απνξξνθνύκελε ζεξκόηεηα νδεγεί ζηελ αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο Μέξνο ηεο απνξξνθνύκελεο ζεξκόηεηαο μνδεύεηαη ζηελ αύμεζε ηνπ όγθνπ

9 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκνρσξεηηθόηεηα αηνκηθή θιίκαθα Θεξκηθή ελέξγεηα Αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο Αύμεζε ηεο δνλεηηθήο ελέξγεηαο Φσλόληα κβανηιζμένη δονηηική ενέπγεια Ειαζηηθά θύκαηα ζην θξπζηαιιηθό πιέγκα κε κεγάιε ζπρλόηεηα & κηθξό κήθνο θύκαηνο

10 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Φσλόληα Αθνπζηηθά θσλόληα ζε 1D θξπζηαιιηθό πιέγκα, User: Greg L/ Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 Οπηηθά θσλόληα 1D θξπζηαιιηθό πιέγκα, User: Shaind / Wikipedia/ Public Domain Δηακήθε «Αθνπζηηθά» Εγθάξζηα «Οπηηθά»

11 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή ελέξγεηα Αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο Φσλόληα Κπξίαξρνο κεραληζκόο απνξξόθεζεο ζεξκηθήο ελέξγεηαο Ηιεθηξόληα Ηιεθηξνληαθή ζπλεηζθνξά αζήκαληε γηα ζεξκνθξαζίεο Τ >0Κ Μηθξό θιάζκα ησλ ειεθηξνλίσλ ζπκκεηέρεη

12 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκνρσξεηηθόηεηα εμάξηεζε από ζεξκνθξαζία 3R 25 J/(mole K) Θεξκνρσξεηηθόηεηα, C V Dulong Petit ζε ρακειή ζεξκνθξαζία C V AT Γηα Τ > ζ D CV 3R 3 Θεξκνθξαζία (Κ) ζ D : ζεξκνθξαζία Debye ζπλήζσο κηθξόηεξε από ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ

13 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Σππηθέο Θεξκνθξαζίεο Debye Aluminium Cadmium Chromium Copper Gold Iron Lead Manganese Nickel Platinum 428 K 209 K 630 K K 170 K 470 K 105 K 410 K 450 K 240 K Silicon Silver Tantalum Tin (white) Titanium Tungsten Zinc Carbon Ice 645 K 215 K 240 K 200 K 420 K 400 K 327 K 2230 K 192 K

14 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή δηαζηνιή lo l f l l T l o To T f Γξακκηθόο ζπληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο Μνλάδεο: o C -1 V o V f V T V V o Ιζόηξνπα πιηθά γεληθά αληζόηξνπνο T o T f Καη όγθν ζπληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο Μνλάδεο: o C -1 V 3 l

15 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή δηαζηνιή αηνκηθή θιίκαθα Δπλακηθή ελέξγεηα r o αύξηζη ηηρ θεπμοκπαζίαρ Μεηαηόπιζη ηηρ μέζηρ θέζηρ ιζοπποπίαρ λόγω αζπκκεηξίαο ηος πηγαδιού δςναμικού U 2 U 1 δηαηνκηθή απόζηαζε U o r o

16 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή δηαζηνιή Ιζρπξνί δεζκνί κηθξή δηαζηνιή κε ηελ ζεξκνθξαζία Τςπικέρ ηιμέρ ζςνηελεζηών θεπμικήρ διαζηολήρ Κεπαμικά Μέηαλλα * Πολςμεπή (x 10-6 ) 5-25 (x 10-6 ) (x 10-6 ) al o C 1 ( ) Κπςζηαλλικά : α l ανιζόηποπο, άμοπθα: α l ιζόηποπο * κπάμα KOVAR Fe-Ni-Co: α l = o C -1

17 Σππηθέο πεηξακαηηθέο ηηκέο ζεξκηθήο αγσγηκόηεηαο Grzegorz Knor/ Wikimedia Commons / Public Domain

18 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή αγσγηκόηεηα x W Ρνή ζεξκόηεηαο αλά κνλάδα ρξόλνπ θαη επηθάλεηαο Μνλάδεο: Btu ft h ή 2 2 m q k dt dx Θεξκηθή αγσγηκόηεηα Μνλάδεο: W m K

19 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Μεραληζκνί ζεξκηθήο αγσγήο Θεξκηθή αγσγή Φσλόληα k l Ηιεθηξόληα (ειεύζεξα) k e Μέζσ θξνύζεσλ κε θσλόληα ή αηέιεηεο k k k l Σςνήθωρ έναρ μησανιζμόρ ςπεπιζσύει e

20 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο ζεξκηθή αγσγή Μέηαιια ke k l k : W mk Σηα μέηαλλα ο ηλεκηπονιακόρ μησανιζμόρ μεηαθοπάρ θεπμόηηηαρ είναι πιο αποδοηικόρ από ηην θωνονική ζςνειζθοπά Σηα μέηαλλα ηα ελεύθεπα ηλεκηπόνια είναι ςπεύθςνα και για ηλεκηπική αγωγιμόηηηα ζηαζεξά hm W K 8 2 Νόκνο Wiedemann-Franz L Ηιεθηξηθή αγσγηκόηεηα 1 hm m k T Θεξκηθή αγσγηκόηεηα Θεξκνθξαζία K W m K

21 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο ζεξκηθή αγσγή Μέηαιια ζεξκηθέο ηδηόηεηεο Τιηθό Θεξκηθή αγσγηκόηεηα W/(mK) Εηδηθή ζεξκόηεηα J/(KgK) πληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο x10-6 ( o C) -1 Aluminium Copper Gold Iron Silver Kovar (54Fe -29 Ni-17Co) Πηγή: Wikipedia Κπάμαηα: Η παποςζία πποζμίξεων οδηγεί ζε μείωζη ηηρ θεπμικήρ αγωγιμόηηηαρ εξαιηίαρ ηηρ δπάζηρ ηων πποζμίξεων ωρ κένηπων ζκέδαζηρ

22 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο ζεξκηθή αγσγή Κεξακηθά kl k e k :2 50 W m K Σηα κεπαμικά ςλικά ηα θωνόνια είναι καηά κύπιο λόγο ςπεύθςνα για ηην θεπμική αγωγιμόηηηα. Τα θωνόνια δεν είναι ηόζο απνδνηηθά ζηην μεηαθοπά θεπμόηηηαρ όζο ηα ελεύθεπα ηλεκηπόνια επειδή ζθεδάδνληαη ένηονα από ηιρ αηέιεηεο ηος πλέγμαηορ Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Τιηθό Θεξκηθή αγσγηκόηεηα W/(mK) Εηδηθή ζεξκόηεηα J/(KgK) πληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο x10-6 ( o C) -1 Fused Silica (SiO 2 ) Soda-lime glass Borosilicate glass (Pyrex) Alumina (Al 2 O 3 ) Πηγή: Wikipedia

23 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο ζεξκηθή αγσγή Κεξακηθά ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο ε ζεξκηθή αγσγηκόηεηα θαηά θαλόλα μειώνεηαι κε ηελ αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο ε ζεξκηθή αγσγηκόηεηα αςξάνεηαι ιόγσ ηεο κεηαθνξάο ζεξκόηεηαο κε ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία Τα άμοπθα κεπαμικά είναι λιγόηεπο αγώγιμα από κπςζηαλλικά Το ποπώδερ ειαηηώλεη ηη θεπμική αγωγιμόηηηα (ζεξκηθή αγσγηκόηεηα αέξα 0.02 W/m. K)

24 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο ζεξκηθή αγσγή Πνιπκεξή Σηα πολςμεπή η θεπμική αγωγιμόηηηα επιηςγσάνεηαι με ηην δόνηζη και πεπιζηποθή ηων μοπιακών αλςζίδων. Η αύξηζη ηος βαθμού κπςζηαλλικόηηηαρ ενόρ πολςμεπούρ οδηγεί ζηην αύξηζη ηηρ θεπμικήρ αγωγιμόηηηαρ! k 0.3 W mk Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Τιηθό Θεξκηθή αγσγηκόηεηα W/(mK) Εηδηθή ζεξκόηεηα J/(KgK) πληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο x10-6 ( o C) -1 PE (Polyethylene) ~150 Teflon/PTFE (Polytetrafluoroethylene) ~190 PP (Polypropylene) ~160 Πηγή: Wikipedia

25 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Θεξκηθή ηάζε Όηαλ έλα πιηθό ζεξκαίλεηαη ή ςύρεηαη ελώ βξίζθεηαη ζε πεξηνξηζκό αλαπηύζζνληαη ζεξκηθέο ηάζεηο ςύμε ζέξκαλζε T 0 T 0 T1 T o 2 T «Θεξκηθή» ηάζε al T Μεηαβνιή ζεξκνθξαζίαο Μέηξν ειαζηηθόηεηαο Σπληειεζηήο γξακκηθήο δηαζηνιήο

26 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο Αληνρή ζε ζεξκηθό ζνθ Θεξκηθό ζνθ: απόηνκε ςύμε ή ζέξκαλζε Εθειθπζηηθέο ζεξκηθέο ηάζεηο Θιηπηηθέο ζεξκηθέο ηάζεηο Οδεγνύλ ζε ζξαύζε κέζσ ηνπ ζρεκαηηζκνύ ξσγκώλ!

27 Θεξκηθέο ηδηόηεηεο - Αληνρή ζε ζεξκηθό ζνθ Όιθηκα πιηθά Οη ηάζεηο πνπ αλαπηύζζνληαη από ην ζεξκηθό ζνθ νδεγνύλ ζε πιαζηηθή παξακόξθσζε Φαζπξά πιηθά Οη ηάζεηο πνπ αλαπηύζζνληαη από ην ζεξκηθό ζνθ νδεγνύλ ζε ζξαύζε! TSR: αληίζηαζε ζην ζεξκηθό ζνθ TSR E f k l Βειηηώλεηαη κε κεγάιε αληνρή ζηε ζξαύζε, Μηθξό κέηξν ειαζηηθόηεηαο, Μηθξό ζπληειεζηή ζεξκηθήο δηαζηνιήο, Μεγάιε ζεξκηθή αγσγηκόηεηα

28 Τέλος Ενότητας