ΥΛΙΚΑ Ι ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ 7 κές Ιδιότητες ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ κές ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα κή διαστολή κή αγωγιμότητα γμ κή τάση Θερμοχωρητικότητα Η θερμοχωρητικότητα εκφράζει την ικανότητα του υλικού να απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον προσφερόμενη θερμότητα Θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα μάζας = dq d μεταβολή J me Ειδική θερμότητα c = m
ό ότητες - Θε ερμοχω ωρητι ικότητ τα dq = d υπό σταθερό όγκο Όλη η απορροφούμενη θερμότητα οδηγεί στην αύξηση της Γενικά: > P P dq = d P υπό σταθερή πίεση P Μέρος της απορροφούμενης θερμότητας ξοδεύεται στην αύξηση του όγκου Θερμοχωρητικότητα ατομική κλίμακα κή ενέργεια Αύξηση της Αύξηση της δονητικής ενέργειας Φωνόνια κβαντισμένη δονητική ενέργεια Ελαστικά κύματα στο κρυσταλλικό πλέγμα με μεγάλη συχνότητα & μικρό μήκος ήοςκύματος κή ενέργεια Θερμοχωρητικότητα εξάρτηση από θερμοκρασία 3R 25 J/(me ) Φωνόνια Κυρίαρχος μηχανισμός απορρόφησης θερμικής ενέργειας Αύξηση η της Ηλεκτρόνια Ηλεκτρονιακή συνεισφορά ασήμαντη για θερμοκρασίες Τ >0Κ Θερμοχω ωρητικό ότητα, Θερμοκρασία (Κ) σε χαμηλή θερμοκρασία ρ = 3 A Για Τ > θ D 3R Μικρό κλάσμα των ηλεκτρονίων συμμετέχει θ D : θερμοκρασία Debye συνήθως μικρότερη από θερμοκρασία δωματίου
κή διαστολή κή διαστολή ατομική κλίμακα Δ α Δ = ε Γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής Μονάδες: -1 γενικά ανισότροπος α Δ Δ Κατ όγκο συντελεστής θερμικής διαστολής α 3 Μονάδες: -1 Ισότροπα υλικά α Δυναμική ενέργεια U 2 U 1 U r r αύξηση της Μετατόπιση της μέσης θέσης ισορροπίας λόγω ασυμμετρίας του πηγαδιού δυναμικού διατομική απόσταση Θ ερμικ κές ιδι κ κή δια αστολή Ισχυροί δεσμοί μικρή διαστολή με την θερμοκρασία Τυπικές τιμές συντελεστών θερμικής διαστολής Κεραμικά Μέταλλα * Πολυμερή 0.5-15 (x 10-6 ) 5-25 (x 10-6 ) 50 400 (x 10-6 ) * a 1 ( ) Κρυσταλλικά : α ανισότροπο, άμορφα: α ισότροπο κράμα OAR Fe-Ni-: α =. -6-1 1 10 ες ότητε κή αγωγιμότητα Ροή θερμότητας ανά μονάδα χρόνου και επιφάνειας Μονάδες: Btu ή 2 2 m t h x d q = dx κή αγωγιμότητα Μονάδες:
Μηχανισμοί θερμικής αγωγής κή αγωγή Φωνόνια Ηλεκτρόνια (ελεύθερα) = + Μέσω κρούσεων με φωνόνια ή ατέλειες Συνήθως ένας μηχανισμός υπερισχύει e e θερμι ική αγ γωγή διότη ητες ικές ι Μέταλλα e :20 400 Στα μέταλλα ο ηλεκτρονιακός μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας είναι πιο αποδοτικός από την φωνονική συνεισφορά Στα μέταλλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα και για ηλεκτρική αγωγιμότητα. 2.44 10 σταθερά hm 8 Ω 2 Νόμος iedemann-franz L = σ Ηλεκτρική αγωγιμότητα 1 Ωh m κή αγωγιμότητα Θερμοκρασία ικές ιδιότη ητες θερμι ική αγ γωγή Μέταλλα Η παρουσία προσμίξεων οδηγεί σε μείωση της θερμικής αγωγιμότητας εξαιτίας της δράσης των προσμίξεων ως κέντρων σκέδασης γωγή ική αγ ητες θερμι ικές ιδιότη Μέταλλα θερμικές ιδιότητες
θερμι ική αγ γωγή διότη ητες ικές ι Κεραμικά e :2 50 Στα κεραμικά υλικά τα φωνόνια είναι κατά κύριο λόγο υπεύθυνα για την θερμική αγωγιμότητα. Τα φωνόνια δεν είναι τόσο αποδοτικά στην μεταφορά θερμότητας όσο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια επειδή σκεδάζονται έντονα από τις ατέλειες του πλέγματος κές ιδιότητες θερμι ική αγ γωγή διότη ητες ικές ι Κεραμικά σε χαμηλές θερμοκρασίες η θερμική αγωγιμότητα κατά κανόνα μειώνεται με την αύξηση της σε υψηλές θερμοκρασίες η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται λόγω της μεταφοράς θερμότητας με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Άμορφα κεραμικά είναι λιγότερο αγώγιμα από κρυσταλλικά Το πορώδες ελαττώνει τη θερμική αγωγιμότητα (θερμική αγωγιμότητα αέρα 0.02 /m. ) θερμι ική αγ γωγή ικές ιδιότη ητες Πολυμερή 03 0.3 Στα πολυμερή η θερμική αγωγιμότητα επιτυγχάνεται με την δόνηση και περιστροφή των μοριακών αλυσίδων. Η αύξηση του βαθμού κρυσταλλικότητας ενός πολυμερούς οδηγεί στην αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας! κές ιδιότητες κή τάση Όταν ένα υλικό θερμαίνεται ή ψύχεται ενώ βρίσκεται σε περιορισμό αναπτύσσονται θερμικές τάσεις ψύξη θέρμανση Δ < 0 Δ > 0 1 2 «κή» τάση σ = Ε a Δ Μέτρο Συντελεστής ελαστικότητας γραμμικής διαστολής Μεταβολή ρ
Αντοχή σε θερμικό σοκ Όλκιμα υλικά ες ές ιδιότητε ερμικέ Θε κό σοκ: απότομη ψύξη ή θέρμανση Εφελκυστικές θερμικές τάσεις Οδηγούν σε θραύση μέσω τους σχηματισμού ρωγμών! Θλιπτικές θερμικές τάσεις θερμικ κό σοκ - Αντο οχή σε κ κές ιδιό ότητες Οι τάσεις που αναπτύσσονται από το θερμικό σοκ οδηγούν σε πλαστική παραμόρφωση Ψαθυρά υλικά Οι τάσεις που αναπτύσσονται από το θερμικό σοκ οδηγούν σε θραύση! SR: αντίσταση στο θερμικό σοκ σ SR = Eα Βελτιώνεται με μεγάλη αντοχή στη θραύση, Μικρό μέτρο ελαστικότητας, Μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής, Μεγάλη θερμική αγωγιμότητα