Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu: Tính chất nhiệt của vật liệu - ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu: Tính chất nhiệt của vật liệu - ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh cung cấp cho học viên những kiến thức về tính chất nhiệt của vật liệu, nhiệt động lực học, nguyên lý thứ không của nhiệt động lực học, nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU ThS Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh 5/2016 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Nhiệt độ số chuẩn hệ SI • Nhiệt độ khoa học nói chung, vật lý nói riêng đo theo nhiệt giai Kelvin • Nhiệt độ vật tăng vô hạn, nhiên, hạ thấp vơ hạn • Nhiệt độ thấp giới hạn chọn làm mốc “khơng” nhiệt giai Kelvin • 273,16K nhiệt độ định nghĩa điểm ba nước TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nhiệt động lực học • Cơ học xét lượng cơ, ngoại hệ phần lớn định luật Newton chi phối • Nhiệt học hay nhiệt động lực học xét đến nội năng, với khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ không nhiệt động lực học • Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ • Khi hai vật trạng thái cân với nhau, nhiệt độ chúng TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ nhiệt động lực học • Một hệ với nhiệt lượng Q công W biểu diễn thay đổi tính chất nội thân hệ • Tính chất gọi nội hệ Eint • Ta có: Eint  Eint f  Eint i  Q  W • Nếu hệ nhiệt động lực học chịu biến đổi vi phân, ta viết lại phương trình sau: dEint  Q  W TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ nhiệt động lực học dEint  Q  W Vi phân thực Vi phân khơng hồn chỉnh → Khơng có hàm Q(p,V) W(p,V) phụ thuộc trạng thái hệ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học • Nhiệt lượng khơng thể biến đổi hồn tồn thành cơng mà khơng có biến đổi khác • Khơng có động (hay máy lạnh) thực làm việc với hai nhiệt độ có hiệu suất cao hiệu suất động Carnot làm việc hai nhiệt độ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Ta phát biểu nguyên lý thứ hai thông qua đại lượng entropi (S) sau: • Độ biến thiên entropi với hệ biến đổi thuận nghịch từ trạng thái đầu (i) đến trạng thái cuối (f) định nghĩa bằng: f f dQ Sf  Si   dS   T i i TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học • Xét trình nhiệt động lực học diễn từ trạng thái cân đến trạng thái cân khác • Entropi hệ mơi trường không đổi tăng dSuniv  dS  dSsurr  Entropi hệ Entropi mơi trường TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Ta có độ giãn nở nhiệt dài ray thép: l  lT  l  12  11106    42    5,5 103 m  5,5mm TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Một dây thép dài 130cm, đường kính 1,1mm • Hệ số giãn nở nhiệt dài dây 11x10-6m/oC • Modul đàn hồi thép 200x109N/m2 • Nung thép đến 830oC căng chặt hai trụ cứng cố định • Hỏi sức căng xuất dây thép nguội xuống 20oC? TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Độ co lại dây thép hai đầu tự do: l  lT  l  1,3  11106    830  20   1,16 102 m  1,16cm • Khi bị cố định đầu, dây khơng co lại • Lực căng dây: l F  EA l  1,110 1,16 10 F   200  10   1,3 2  3  1700N TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Đồng nóng chảy 1085oC rót vào khn có độ dài 1m • Giả sử đồng giãn nở nhiệt theo chiều, hệ số giãn nở nhiệt đồng 16,6x10-6mm.oC-1 • Tính độ dài sản phẩm đồng sau tháo khuôn làm nguội nhiệt độ phịng (25oC) TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Ta có cơng thức tính hệ số giãn nở nhiệt: l  lT  l  lT  l  1 103  16, 106   1085  25   17, 6mm • Độ dài lúc sau đồng: lf  li  l  lf  1000  17,  982, 4mm TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Một dây dẫn nhơm có đường kính 50mm phủ lớp epoxy bảo vệ (rất mỏng) • Biết hệ số giãn nở nhiệt nhôm epoxy 55x10-6 25x10-6mm oC-1 • Nếu gia nhiệt dây phủ epoxy từ 25oC lên 100oC, xác định đường kính lúc sau nhơm epoxy TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Kích thước nhơm lúc sau: lf  l0  l0  Al T  lf  50  50  25 106  100  25   50, 094mm • Kích thước epoxy lúc sau: lf  l0  l0  Al T  lf  50  50  55 106  100  25   50, 206mm • Epoxy giãn nở nhiệt nhiều nhơm • Nếu lớp epoxy bám chặt vào lõi nhôm, gia nhiệt, chênh lệch giãn nở làm cho lớp epoxy bong khỏi lõi nhôm TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Một magnesium 100x100mm phủ lớp mỏng quartz nóng chảy • Tấm magnesium phủ quartz sau gia nhiệt từ 25oC lên 100oC • Tính kích thước magnesium quartz sau gia nhiệt TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Độ dài magnesium lúc sau: lf  l0  l0  Al T  lf  100  100  25 106   350  25   100,813mm • Độ dài quartz lúc sau: lf  l0  l0  Al T  lf  100  100  0,55 106   350  25   100, 018mm • Ta thấy, quartz giãn nở nhiệt magnesium • Nếu lớp quartz bám chặt vào lõi magnesium, lớp quartz nứt hở lõi magnesium TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Để gia nhiệt 100ml nước từ 10oC lên 11oC phút Quá trình thực cách nhúng đồng hình trụ có đường kính 10mm • Đầu cịn lại đồng giữ tiếp xúc với nguồn nhiệt cố định 800oC • Biết hệ số dẫn nhiệt đồng 400W/mK nhiệt dung riêng nước 4187J/kgK • Tính đường kính cần thiết đồng nhiệt lượng tổn thất nửa qua đồng q trình truyền nhiệt TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho nước: Q  mcT  Q  0,1 4187  11  10   418, 7J • Một nửa nhiệt lượng từ nguồn nhiệt bị tổn thất • Do đó, tổng nhiệt lượng cần thiết phải là: 2x418,7 = 837,4J • Với lượng nhiệt này, ta có: T Q  KA x TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Trong đó, tiết diện ống: d2 A 4Qx d kT d  837,  10 103  400    800  10   5,81103 m  5,81mm TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Hai khối vật liệu đồng có khối lượng khối 850g đặt tiếp xúc hộp cách nhiệt • Nhiệt độ ban đầu hai khối 325K 285K • Nhiệt dung riêng đồng 0,386J/gK • Tính nhiệt độ cân cuối hai khối đồng • Tính biến hiên entropy hai khối đồng TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Nhiệt lượng từ khối nóng nhiệt lượng hấp thu khối lạnh: mc  325  T   mc  T  285   T   325  285   305K • Biến thiên entropy:   T2 S  mc ln  2  T   T    S  0,85  386  ln 3052 305   305  285  2  1, 41J / K “Hãy theo đuổi ưu tú, thành công theo đuổi bạn” ...TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU • Nhiệt độ số chuẩn hệ SI • Nhiệt độ khoa học nói chung, vật lý nói riêng đo theo nhiệt giai Kelvin • Nhiệt. .. NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Ngun lý thứ khơng nhiệt động lực học • Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ • Khi hai vật trạng thái cân với nhau, nhiệt độ chúng TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Nguyên lý thứ nhiệt. .. Nhiệt độ đặc trưng mức chuyển động phần tử mạng • Tại T = 0K, phần tử đứng yên, electron chuyển động TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU GIÃN NỞ NHIỆT TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Giãn nở nhiệt • Vật