Bài giảng Vật liệu học - Chương 7: Tính chất nhiệt của vật liệu - Nguyễn Văn Dũng

LOGO 1
2ü Các nguyên tử, phân tử hay ion ở các nút
mạng luôn dao động quanh vị trí cân
bằng. Khi các phần tử này nhận năng
lượng sẽ dao động mạnh hơn và truyền
năng lượng dao động cho các phần tử
xung quanh. Sự dao động này tạo thành
sóng âm với lượng tử của sóng là
phonon.
ü Electron tự do trong kim loại và bán dẫn
có thể khuếch tán mang theo năng lượng.
3Ø Nhiệt dung (heat capacity) là
nhiệt lượng cần thiết dQ mà vật
liệu hấp thụ từ môi trường để
tăng nhiệt độ lên một khoảng dT.
Ø Nhiệt dung riêng là nhiệt dung
tính cho 1 mol (J/mol.K, or
cal/mol.K) hoặc 1 kg (J/kg.K,
cal/g.K) vật chất.
c p
• Polymers
Polypropylene
Polyethylene 
Polystyrene 
Teflon
cp (J/kg.K)
at room T
• Ceramics
Magnesia (MgO)
Alumina (Al2O3)
Glass
• Metals
Aluminum 
Steel 
Tungsten 
Gold
1925
1850 
1170 
1050
900 
486 
138 
128
Material
940 
775 
840
4 
q = -k
dT
dx
Gradient nhiệt độ
k= độ dẫn nhiệt (J/m.K.s): 
k phụ thuộc vào bản chất của mỗi vật liệu
Mật độ 
dòng nhiệt
(J/m2.s)
Fourier’s Law:
Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào phonnons (do sự dao động của các phần
tử ở nút mạng) và do electron.
5
Tă
ng
 k
• Polymer
Polypropylene 0.12
Polyethylene 0.46-0.50 
Polystyrene 0.13 
Teflon 0.25
Dao động và quay của các
chuỗi polymer
• Gốm sứ
Magnesia (MgO) 38
Alumina (Al2O3) 39
Thủy tinh Na 1.7
Silica (cryst. SiO2) 1.4
Dao động nguyên tử, ion
k ≈ kl
• Kim loại
Nhôm 247
Thép 52 
Vonfram 178 
Vàng 315
Chủ yếu là sự di chuyển của
các electron tự do
k ≈ ke
k (W/m.K)
Cơ chế dẫn nhiệt
Vật liệu
6SV tự nhận 
xét !!
7Hầu hết chất rắn đều giãn nở khi gia nhiệt và co lại khi làm lạnh.
Nguyên nhân được giải thích theo đường cong thế năng không đối
xứng theo khoảng cách các nguyên tử.
8Sự giãn nở này có thể biểu diễn theo biểu thức sau:
lf – chiều dài ở nhiệt độ Tf
l0 – chiều dài ở nhiệt độ T0
αl – hệ số nở dài
ΔV – biến đổi thể tích mẫu khi nhiệt độ thay đổi ΔT
αv – hệ số giãn nở thể tích, tính gần đúng: αv ≈ 3αl
Polymer có hệ số giãn nở nhiệt khá lớn do cấu trúc gấp khúc
9Ø Một dây kim loại Cu dài 15 m được làm lạnh từ 40 oC xuống
-9 oC. Biết αl = 16,5.10-6 (oC)-1, tính sự thay đổi chiều dài của
dây Cu?
Giải:
mm 12m 012.0 
]C40)C9[()m 15)](C/1(10 x5.16[ 60
-==D
°-°-°=D=D -
l
ll l Ta
10
Ø Ứng suất bên trong: khi thay đổi nhiệt độ, vật liệu co giãn sinh ra
ứng suất nội. Thay đổi nhiệt độ từ lạnh đến nóng (T0 đến Tf)
E – modul đàn hồi
s
rapid quench
resists contraction
tries to contract during cooling T2
T1
Ø Ứng suất bề mặt: khi vật liệu tiếp xúc với môi trường nóng lạnh
khác nhau, đặc biệt khi vật liệu dẫn nhiệt kém
11
Ø Khi vật liệu tiếp xúc với môi trường nóng lạnh đột ngột. Nếu vật liệu
dẫn nhiệt kém, sẽ tạo ứng suất bề mặt lớn, gây nứt nẻ hay vỡ
vụn (hiện tượng Shock nhiệt).
Ví dụ: gốm sứ, thủy tinh bị nung nóng nhanh.
Ø Khả năng chịu được sự nứt nẻ hay vỡ vụn gọi là độ bền Shock
nhiệt TSR (Thermal Shock resistance):
σf – ứng suất chống nứt
E – modul đàn hồi
k – hệ số dẫn nhiệt
αl – hệ số nở dài 
12
Ø Với 2 kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, sẽ tạo thành lớp điện
tích kép gọi là thế tiếp xúc.
Ø Với 1 dây kim loại, đầu tiếp xúc với nhiệt độ thấp (đầu lạnh) sẽ có ít
điện tử hơn đầu tiếp xúc với nhiệt độ cao (đầu nóng).
→ Điện tử sẽ di chuyển từ đầu tiếp xúc với nhiệt độ cao sang nhiệt độ
thấp.
Ø Với chất bán dẫn loại p và n cũng
hình thành dòng điện khi 2 đầu tiếp
xúc với 2 môi trường có nhiệt độ khác
nhau.
13
Nối 2 dây dẫn khác nhau thành mạch kín, sau đó nhúng 2 điểm nối
vào hai môi trường có nhiệt độ khác nhau, xuất hiện dòng điện trong
mạch (hiệu ứng Seebeck)
14
Ứng dụng làm máy phát điện
15
released
absorbed
Khi có dòng điện đi qua mạch kín tạo bởi 2 kim loại, dựa trên chiều
dòng điện, tại 2 mối nối: một là thu nhiệt và một là tỏa nhiệt, gọi là
hiệu ứng Peltier.
16
Ứng dụng trong thiết bị làm lạnh