ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 100mm
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Θερμική ιδιότητα = απόκριση ενός υλικού στην εφαρμογή θερμότητας Ένα στερεό απορροφά ενέργεια με τη μορφή θερμότητας Τ και οι διαστάσεις του (zirconium tungstate -"negative thermal expansion ) Ζεστές περιοχές Ενέργεια Ψυχρές περιοχές Ακραία περίπτωση Τ Τ m το δοκίμιο λιώνει Θερμικές ιδιότητες θερμοχωρητικότητα - θερμική διαστολή - θερμική αγωγιμότητα
Για εξαρτήματα που εκτίθενται σε υψηλές/χαμηλές Τ, σε θερμικές μεταβολές η σε θερμικές βαθμίδες ο μηχανικός σχεδιαστής πρέπει να γνωρίζει τις θερμικές αποκρίσεις των υλικών Από τις τρείς βασικές κατηγορίες υλικών, τα κεραμικά είναι τα πιο ευαίσθητα σε θερμικά σοκ (δημιουργούνται εσωτερικές τάσεις ως αποτέλεσμα απότομων αλλαγών στη θερμοκρασία -> ψαθυρή θραύση) Η ευαισθησία του κεραμικού υλικού στο θερμικό σοκ είναι μία συνάρτηση των θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτων του : συντελεστής θερμικής διαστολής, θερμική αγωγιμότητα, μέτρο ελαστικότητας, αντοχή στη θραύση
2. ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Θέρμανση ενός στέρεου υλικού -> απορρόφηση ενέργειας -> αύξηση της θερμοκρασίας του Θερμοχωρητικότητα C = ικανότητας ενός υλικού να απορροφά ενέργεια από (heat capacity) το εξωτερικό περιβάλλον = το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της Τ κατά μια μονάδα C = dq dt dq = ενέργεια που απαιτείται για θερμοκρασιακή μεταβολή κατά dt Μονάδες : J/mol Κ, cal/mol Κ
Ειδική θερμότητα c (specific heat) = θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα μάζας Μονάδες c = J/kg Κ, cal/g Κ Υπάρχουν δύο τρόποι μέσω των οποίων μπορεί να μετρηθεί η θερμοχωρητικότητα ανάλογα με τις (περιβάλλουσες) συνθήκες που συνοδεύουν τη μεταφορά θερμότητας: (1) Διατηρώντας τον όγκο του δοκιμίου σταθερό, C v (2) Διατηρώντας την εξωτερική πίεση σταθερή, C p Πάντοτε C p C v - η διαφορά είναι πολύ μικρή για τα περισσότερα στερεά υλικά σε Τ περιβάλλοντος και χαμηλότερες Τ
ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ: ΣΥΓΚΡΙΣΗ Material Polymers Polypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon c p (J/kg-K) at room T 1925 1850 1170 1050 increasing c p Ceramics Magnesia (MgO) Alumina (Al 2 O 3 ) Glass 940 775 840 Metals Aluminum Steel Tungsten Gold 900 486 138 128
2.1 ΔΟΝΗΤΙΚΗ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Στα περισσότερα στερεά ο κύριος τρόπος απορρόφησης της θερμικής ενέργειας είναι μέσω της αύξησης της δονητικής ενέργειας των ατόμων Τα άτομα στα στερεά υλικά ταλαντώνονται συνεχώς σε πολύ υψηλές συχνότητες και με σχετικώς μικρά πλάτη Οι ταλαντώσεις : - των γειτονικών ατόμων είναι συζευγμένες εξαιτίας των ατομικών δεσμών - είναι συλλογικές -> παράγονται οδεύοντα πλεγματικά κύματα - θεωρούνται ελαστικά κύματα (ηχητικά κύματα) - διαδίδονται εντός κρυστάλλου με την ταχύτητα του ήχου Η θερμική ενέργεια δόνησης = σειρά ελαστικών κυμάτων, τα οποία έχουν ένα εύρος συχνοτήτων
Μόνο ορισμένες τιμές ενέργειας είναι επιτρεπτές = η ενέργεια είναι κβαντισμένη : - Κβάντο της ενέργειας δόνησης = φωνόνιο (ανάλογο του φωτονίου) - Τα δονητικά κύματα καλούνται φωνόνια Τα ελαστικά κύματα συμμετέχουν στη μεταφορά ενέργειας κατά την αγωγή θερμότητας
2.2 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΗ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 3R C v = σταθερό Σε χαμηλές T : C v = AT 3 Α σταθερά ανεξάρτητη της Τ 0 0 θ D Θερμοκρασία Debye (συνήθως θ D < T δωματίου ) T (K) Τ > Θ D : C v - ανεξάρτητη της Τ R = σταθερά των αερίων= 8.31 J/mol-K C v = 3R
2.3 ΆΛΛΕΣ ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΕΣ ΣΤΗ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Άλλοι μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας οι οποίοι συνεισφέρουν στην ολική θερμοχωρητικότητα ενός στερεού : - η ηλεκτρονική συνεισφορά - τα ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια αυξάνοντας την κινητική τους ενέργεια (μόνο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια) - η δημιουργία αταξίας στα ηλεκτρονικά σπιν ενός σιδηρομαγνητικού υλικού ( όταν η θερμοκρασία του ξεπερνά τη θερμοκρασία Curie)
3. ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ Τα περισσότερα στερεά υλικά διαστέλλονται κατά τη θέρμανση και συστέλλονται όταν ψύχονται Η μεταβολή του μήκους με τη θερμοκρασία για ένα στερεό υλικό : ή l f l 0 l 0 = a l (T f T 0 ) Δl l 0 = a l ΔΤ l 0, l f - αντιστοίχως το αρχικό και τελικό μήκος κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας από Τ 0 σε Τ f a l - γραμμικός συντελεστής της θερμικής διαστολής - μονάδες αντίστροφης θερμοκρασίας [( ο C) -1 ]
Η θέρμανση ή ψύξη επιδρά σε όλες τις διαστάσεις ενός σώματος -> μεταβολή του όγκου του : ΔV V 0 = a v ΔΤ ΔV, V 0 - αντιστοίχως η μεταβολή του όγκου και ο αρχικός όγκος α v - κατ όγκο συντελεστή της θερμικής διαστολής - σε πολλά υλικά η τιμή του α l είναι ανισοτροπική (εξαρτάται από την κρυσταλλογραφική διεύθυνση κατά την οποία μετράται) - για υλικά στα οποία η θερμική διαστολή είναι ισότροπη, α v 3α l Ατομιστική άποψη : θερμική διαστολή = αποτέλεσμα της αύξησης της μέσης απόστασης μεταξύ των ατόμων
Διάγραμμα της δυναμικής ενέργειας ως προς την απόσταση μεταξύ των ατόμων: - αύξηση της μέσης απόστασης των ατόμων με την αύξηση της Τ (r 1 < r 2 < r 3 ) - θερμική διαστολή Για συμμετρική καμπύλη ενέργειας ως προς την απόσταση μεταξύ των ατόμων - δεν υπάρχει αύξηση της μέσης απόστασης με την αύξηση της Τ (r 1 = r 2 = r 3 ) - χωρίς θερμική διαστολή
Καμπύλη δυναμικής ενέργειας - απόσταση μεταξύ ατόμων για ένα στερεό υλικό: έχει τη μορφή ενός πηγαδιού δυναμικού η διατομική απόσταση ισορροπίας στους 0 Κ είναι r 0 - αντιστοιχεί στο ελάχιστο του δυναμικού θέρμανση σε υψηλότερες Τ (Τ 1, Τ 2,Τ 3, ) αυξάνει την ενέργεια ταλάντωσης από Ε 1 σε Ε 2, σε Ε 3, μέσο πλάτος ταλάντωσης ενός ατόμου = εύρος του πηγαδιού σε κάθε Τ μέση διατομική απόσταση = μέση θέση - αυξάνει με την Τ από r 0 σε r 1,r 2, r 3, Ασύμμετρη καμπυλότητα του ενεργειακού πηγαδιού -> θερμική διαστολή (εάν η καμπύλη της δυναμικής ενέργειας ήταν συμμετρική δε θα υπήρχε καθαρή μεταβολή στην διατομική απόσταση, ούτε θερμική διαστολή)
Μεγαλύτερη ενέργεια των δεσμών μεταξύ ατόμων -> βαθύτερο και στενότερο το πηγάδι της δυναμικής ενέργειας -> για μια δεδομένη αύξηση της T, μικρότερη αύξηση της διατομικής απόστασης -> μικρότερη τιμή του α l H τιμή του συντελεστή διαστολής α l αυξάνει με την αύξηση της T Μέταλλα - οι τιμές του γραμμικού συντελεστή θερμικής διαστολής είναι ενδιάμεσες σε μέγεθος μεταξύ αυτών των κεραμικών και των πολυμερών - έχουν παρασκευαστεί μεταλλικά κράματα χαμηλής-διαστολής ή ελεγχόμενηςδιαστολής, που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή σταθερότητα στις διαστάσεις του υλικού ως προς θερμοκρασιακές μεταβολές
Κεραμικά - Σχετικά ισχυρές δεσμικές δυνάμεις μεταξύ ατόμων -> σχετικά μικροί συντελεστές θερμικής διαστολής α l - Για μη-κρυσταλλικά κεραμικά και για κεραμικά που έχουν κυβικές κρυσταλλικές δομές - α l είναι ισότροπος - Διαφορετικά, η διαστολή είναι ανισότροπη -> κατά τη θέρμανση, συστέλλονται σε ορισμένες κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις ενώ διαστέλλονται σε άλλες - Οργανικοί ύαλοι: α l εξαρτάται από τη σύσταση - Κεραμικά υλικά που πρόκειται να υποβληθούν σε θερμοκρασιακές μεταβολές πρέπει να έχουν σχετικά μικρούς και ισότροπους α l - Μπορούν να υποστούν ψαθυρη θραύση λόγο των μη ομοιόμορφων αλλαγών στις διαστάσεις = θερμικό σοκ
Πολυμερή - Ορισμένα πολυμερικά υλικά υφίστανται πολύ μεγάλες θερμικές διαστολές - Οι υψηλότερες τιμές α l αντιστοιχούν σε γραμμικά και διακλαδωμένα πολυμερή εξαιτίας του ότι οι δευτερεύοντες διαμοριακοί δεσμοί είναι ασθενείς, και υπάρχει ελάχιστος βαθμός σύνδεσης μέσω σταυροδεσμών - Με την αύξηση των σταυροδεσμών το μέγεθος του συντελεστή διαστολής μειώνεται - Οι χαμηλότεροι συντελεστές έχουν βρεθεί στα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή
COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION: COMPARISON increasing Material Polymers α (10-6 / C) at room T Polypropylene 145-180 Polyethylene 106-198 Polystyrene 90-150 Teflon 126-216 Metals Aluminum 23.6 Steel 12 Tungsten 4.5 Gold 14.2 Ceramics Magnesia (MgO) 13.5 Alumina (Al 2 O 3 ) 7.6 Soda-lime glass 9 Silica (cryst. SiO 2 ) 0.4
Κράμα Invar και Άλλα Κράματα Χαμηλής-Διαστολής 1896, ο Charles-Edouard Guillaume (Nobel φυσικής 1920) : - κράμα σιδήρου-νικελίου με πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (1.6x10-6 ( C) -1 ), για Τ δωματίου < Τ < 230 C - εταιρική επωνυμία - Invar - αυτή η συμπεριφορά σχετίζεται με τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του Invar - τα δοκίμια που ψύχθηκαν απότομα από υψηλές θερμοκρασίες (κοντά στους 800 C) και εν συνεχεία κατεργάστηκαν με ψυχρηλασία - Super Invar : α l = 0.72xl0-6 ( C) -1 - ένα μέρος του νικελίου αντικαθίσταται από άλλο κοβάλτιο - Kovar - χαρακτηριστικά διαστολής κοντά σε εκείνα του βοριοπυριτικού υάλου (πυρέξ) - όταν συνδέεται με το πυρέξ και υποβάλλεται σε μεταβολές θερμοκρασίας, αποφεύγονται το θερμικό σοκ και η πιθανή θραύση
Τα κράματα χαμηλής διαστολής χρησιμοποιούνται σε : - τροχούς ισορροπίας για μηχανικά ρολόγια - δομικά στοιχεία οπτικών συστημάτων και λέιζερ για μετρήσεις που απαιτούν σταθερότητα διαστάσεων της τάξης του μήκους κύματος του φωτός - διμεταλλικές ταινίες - χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση μικροδιακοπτών σε συστήματα θέρμανσης νερού - διαμορφωτές σκίασης σε καθοδικές λυχνίες που χρησιμοποιούνται σε οθόνες τηλεόρασης και προβολών - δεξαμενές και σωληνώσεις για αποθήκευση και διανομή υγροποιημένου φυσικού αερίου
4. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Θερμική αγωγή = το φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας σε μια ουσία από περιοχές υψηλής σε περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας Θερμική αγωγιμότητα = ιδιότητα που χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει θερμότητα : q = k dt dx q - ροή θερμότητας ανά μονάδα χρόνου και ανά μονάδα επιφάνειας (κάθετα στη διεύθυνση της ροής) k - θερμική αγωγιμότητα dt/dx - θερμοκρασιακή βαθμίδα κατά μήκος του αγώγιμου μέσου - Μονάδες : q (W/m 2 ), k ( W/m Κ)
Η παραπάνω εξίσωση ισχύει μόνο για ροή θερμότητας σταθερής κατάστασης (q δεν μεταβάλλεται με το χρόνο) Κατεύθυνση ροής θερμότητας: θερμό -> ψυχρό, αντίθετης φοράς της θερμοκρασιακής βαθμίδας αρνητικό πρόσημο
4.1 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΓΩΓΗΣ Η θερμότητα στα στερεά υλικά μεταφέρεται : (1) Με πλεγματικές ταλαντώσεις (φωνόνια), k l (2) Με ελεύθερα ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια αγωγιμότητας), k e k = k l + k e - συνήθως κυρίαρχος είναι ένας από τους δύο μηχανισμούς Φωνόνια : η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στη διεύθυνση κίνησής των φωνονίων, από περιοχές υψηλής σε περιοχές χαμηλής Τ Ελεύθερα ηλεκτρόνια : - αποκτούν επιπλέον κινητική ενέργεια σε μια θερμή περιοχή του δοκιμίου - μετακινούνται σε ψυχρότερες περιοχές όπου μέρος της κινητικής τους ενέργειας μεταφέρεται στα άτομα ως συνέπεια των συγκρούσεων τους με φωνόνια ή με άλλες ατέλειες εντός του κρυστάλλου - αύξηση συγκέντρωσης ελεύθερων ηλεκτρονίων -> αύξηση του k e
Μέταλλα Μέταλλα υψηλής καθαρότητας - ο ηλεκτρονικός μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας είναι πολύ πιο αποδοτικός από τη φωνονική συνεισφορά - τα ηλεκτρόνια - δεν σκεδάζονται τόσο εύκολα όσο τα φωνόνια - έχουν υψηλότερες ταχύτητες - εξαιρετικά καλοί αγωγοί θερμότητας λόγο μεγάλου αριθμόυ ελευθέρων ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στην αγωγή θερμότητας Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στα καθαρά μέταλλα είναι υπεύθυνα για : - την ηλεκτρική αγωγή - τη θερμική αγωγή οι δύο αγωγιμότητες συσχετίζονται σύμφωνα με το νόμο Wiedemann-Franz: σ - ηλεκτρική αγωγιμότητα, L = 2.44x10-8 Ω W/(K) 2 L = k σt Τ - απόλυτη θερμοκρασία, ανεξάρτητη της T, ίδια για όλα τα μέταλλα εάν η θερμική ενέργεια μεταφέρεται αποκλειστικά από ελεύθερα ηλεκτρόνια
Θερμική αγωγιμότητα (W/mK) Κραματοποίηση των μετάλλων με προσμίξεις -> μείωση της θερμικής αγωγιμότητας - για στερεό διάλυμα, τα άτομα πρόσμιξης κέντρα σκέδασης -> δυσκολεύουν την ηλεκτρονική κίνηση Σύσταση κραμάτων χαλκού-ψευδαργύρου (%κ.β. Zn)
Κεραμικά Τα μη-μεταλλικά υλικά = θερμικοί μονωτές - δεν έχουν μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων - φωνόνια - υπεύθυνα για τη θερμική αγωγιμότητα ( k e << k l ) - αποτελεσματικά σκεδασμένα από τις ατέλειες πλέγματος -> λιγότερο αποδοτικά στη μεταφορά θερμότητας από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια Τα άμορφα κεραμικά υλικά : ατομική δομή σε υψηλή αταξία -> αποτελεσματική σκέδαση φωνονίων -> χαμηλότερες αγωγιμότητες από τα κρυσταλλικά κεραμικά Αύξηση Τ -> σκέδαση των ταλαντώσεων πλέγματος περισσότερο εμφανής -> η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται
Υψηλότερες Τ -> μεταφορά θερμότητας με υπέρυθρη ακτινοβολία -> αύξηση αγωγιμότητας Ύπαρξη πόρων -> δραματική επίπτωση στη θερμική αγωγιμότητα - αύξηση του όγκου των πόρων -> μείωση της θερμικής αγωγιμότητας - οι θερμικοί μονωτές είναι πορώδεις - οι εσωτερικοί πόροι συνήθως περιέχουν αέρα ο οποίος έχει εξαιρετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα ( 0.02 W/m Κ)
Πολυμερή Μεταφορά ενέργειας - μέσω δόνησης και περιστροφής των μακρομοριακών αλυσίδων Το μέγεθος της θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από το βαθμό κρυσταλλικότητας : - πολυμερές με υψηλή κρυσταλλικότητα και τάξη στη δομή του -> αποτελεσματικές συλλογικές ταλαντώσεις των μοριακών αλυσίδων -> μεγαλύτερη αγωγιμότητα από το αντίστοιχο άμορφο υλικό Τα πολυμερή χρησιμοποιούνται συχνά ως θερμικοί μονωτές Όπως με τα κεραμικά, οι μονωτικές ιδιότητες βελτιώνονται με την εισαγωγή μικρών πόρων ( με αφρισμό κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού)
increasing k THERMAL CONDUCTIVITY: COMPARISON Material k (W/m-K) Metals Aluminum 247 Steel 52 Tungsten 178 Gold 315 Ceramics Magnesia (MgO) 38 Alumina (Al 2 O 3 ) 39 Soda-lime glass 1.7 Silica (cryst. SiO 2 ) 1.4 Polymers Polypropylene 0.12 Polyethylene 0.46-0.50 Polystyrene 0.13 Teflon 0.25 Energy Transfer Mechanism motion of free electrons and atomic vibrations atomic vibrations vibration/rotation of chain molecules
5. ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Θερμικές τάσεις = τάσεις που επάγονται σε ένα σώμα από θερμοκρασιακές μεταβολές - οδηγούν σε θραύση ή σε ανεπιθύμητη πλαστική παραμόρφωση 5.1 Τάσεις που Απορρέουν από Θερμική Διαστολή και Συστολή υπό Περιορισμό Θεωρήσουμε μια ομογενή και ισότροπη συμπαγή ράβδο η οποία θερμαίνεται ή ψύχεται ομοιόμορφα (χωρίς θερμοκρασιακές βαθμίδες) Ελεύθερη διαστολή ή συστολή -> η ράβδος ελεύθερη τάσεων Περιορισμένη αξονική κίνηση της ράβδου (από άκαμπτα στηρίγματα στα άκρα) -> θερμικές τάσεις
Το μέγεθος της τάσης, σ, που προκύπτει από θερμοκρασιακή μεταβολή από Τ 0 σε Τ f : σ = Ea l T 0 T f = Ea l ΔΤ Ε - το μέτρο της ελαστικότητας α l - γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής Τ f > Τ 0 => σ < 0 (η διαστολή της ράβδου είναι υπό περιορισμό) T f <Τ 0 => σ > 0 σ τάση που απαιτείται για την επαναφορά της ράβδου στο αρχικό μήκος, αν αρχικά είχε παραμορφωθεί ελεύθερα με τη θερμοκρασιακή μεταβολή Τ 0 - T f
5.2 Τάσεις που Απορρέουν από Βαθμίδες Θερμοκρασίας Στερεό υλικό θερμαίνεται ή ψύχεται -> η θερμοκρασιακή κατανομή εξαρτάται από - το μέγεθος του δοκιμίου - το σχήμα του δοκιμίου - τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού - το ρυθμό της θερμοκρασιακής μεταβολής Ταχεία θέρμανση ή ψύξη -> η θερμοκρασία μεταβάλλεται ταχύτερα στο εξωτερικό μέρος του σώματος από ότι το εσωτερικό του -> βαθμίδες θερμοκρασίας κατά μήκους του σώματος -> διαφορετικές μεταβολές των διαστάσεων -> περιορισμούς στην ελεύθερη διαστολή ή συστολή γειτονικών στοιχείων όγκου εντός του σώματος -> θερμικές τάσεις
5.3 Θερμικό Σοκ Ψαθυρών Υλικών Όλκιμα μέταλλα και πολυμερή - αποκατάσταση θερμικών τάσεων με πλαστική παραμόρφωση Κεραμικά υλικά -> ψαθυρή θραύση από αυτές τις θερμικές τάσεις (θερμικό σοκ) Ταχεία ψύξη ψαθυρού σώματος -> εφελκυστικές επαγόμενες επιφανειακές τάσεις Ταχεία θέρμανση ψαθυρού σώματος -> θλιπτικές επαγόμενες επιφανειακές τάσεις πιο πιθανό θερμικό σοκ σε ταχεία ψύξη από σε ταχεία θέρμανση (ο σχηματισμός ρωγμών και η διάδοση τους από τις επιφανειακές ατέλειες είναι πιο πιθανά όταν η επιβαλλόμενη τάση είναι εφελκυστική )
Αντοχή σε θερμικό σοκ = ικανότητα ενός υλικού να αντέχει σε θερμικό σοκ (thermal shock resistance, TSR) H αντοχή σε θερμικό σοκ, για ένα κεραμικό σώμα που ψύχεται ταχέως - εξαρτάται από - το μέγεθος της θερμοκρασιακής μεταβολής - τις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες του υλικού - είναι βέλτιστη για υψηλές αντοχές σε θραύση, σ f - υψηλές θερμικές αγωγιμότητες - χαμηλά μέτρα ελαστικότητας - χαμηλούς συντελεστές θερμικής διαστολής Η αντοχή σε θερμικό σοκ πολλών υλικών : TSR σ fk Ea l
Πρόληψη του θερμικού σοκ : (1) Μεταβάλλοντας τις εξωτερικές συνθήκες -> μειωμένοι ρυθμοί θέρμανσης ή ψύξης -> ελαχιστοποίηση των θερμοκρασιακών βαθμίδων κατά μήκος του σώματος (2) Τροποποίηση των θερμικών και μηχανικών χαρακτηριστικών : Ε, k, σ f, a l (Π.χ. : Κοινοί ύαλοι - ιδιαίτερα δεκτικοί σε θερμικό σοκ - α l 9.0xl0-6 ( C) -1 - ελαττώνοντας την περιεκτικότητα σε CaO και Na 2 0, και προσθέτοντας Β 2 0 3 => α l 3xl0-6 ( C) -1 (Pyrex) (κατάλληλο για τους θερμικούς κύκλους ψύξηςθέρμανσης μαγειρικών φούρνων) (3) Προσθήκη μεγάλων πόρων ή μιας δεύτερης όλκιμης φάσης -> παρεμπόδιση διάδοσης θερμικά επαγόμενων ρωγμών Απάλειψη θερμικών τάσεων στα κεραμικά υλικά για τη βελτίωση της μηχανικής τους αντοχής <- με θερμική διεργασία ανόπτησης
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Θερμοχωρητικότητα C = ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για ΔΤ=1Κ Eιδική θερμότητα = θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα μάζας Δονητική ενέργεια των ατόμων φωνόνια Θερμική διαστολή - η κλασματική μεταβολή στο μήκος είναι ανάλογη της θερμοκρασιακής μεταβολής - σταθερά αναλογίας = συντελεστής θερμικής διαστολής, a l Θερμική διαστολή αύξηση της μέσης διατομικής απόστασης a l πολυμερών > a l μετάλλων > a l κεραμικών
Θερμική αγωγιμότητα = μεταφορά θερμικής ενέργειας από περιοχές υψηλής Τ σε περιοχές χαμηλής Τ Η θερμότητα μεταφέρεται με - ελεύθερα ηλεκτρόνια - δονητικά πλεγματικά κύματα, φωνόνια Θερμικές τάσεις - αναπτύσσονται σε ένα σώμα ως συνέπεια των θερμοκρασιακών μεταβολών υπό περιορισμούς θερμικής διαστολής (ή συστολής) ενός σώματος - είναι δυνατό να οδηγήσουν σε - θραύση - πλαστική παραμόρφωση Θερμικό σοκ = θραύση ενός σώματος ως αποτέλεσμα των θερμικών τάσεων που επάγονται από ταχείες θερμοκρασιακές μεταβολές