Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
V. Phương pháp nghiên cứu đề tài

V. Phương pháp nghiên cứu đề tài

Tải bản đầy đủ - 0trang

TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



thay đổi. Lượng thay đổi của các lực tương tác giữa các phần tử của chất rắn được gọi là

nội lực.

Nội lực chỉ xuất hiện khi có ngoại lực. Ngoại lực là lực tác động từ những vật thể khác

hoặc môi trường xung quanh lên vật thể đang xét. Khi ngoại lực tăng dần, nội lực cũng

tăng dần để cân bằng với ngoại lực. Nhưng do tính chất cơ học của từng loại vật rắn, nội

lực chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định. Nếu ngoại lực tăng quá lớn, nội lực không

tăng được nữa, lúc này vật rắn bị biến dạng quá mức và bị phá hỏng.

I.2. Ứng suất

I.2.1 Ứng suất toàn phần

Căn cứ vào giả thuyết cơ bản về sự liên tục

của chất rắn, ta có thể giả định nội lực phân bố

liên tục trên toàn mặt cắt, để biết sự phân bố nội

lực ta hãy đi tìm trị số của nội lực tại một điểm

nào đó trong vật thể.

Giả sử tại điểm K chẳng hạn, xung quanh

điểm K lấy một diện tích khá nhỏ . Hợp lực của

nội lực trên diện tích là . Ta có tỷ số:

=

(1.1)

được gọi là ứng suất trung bình tại K. Khi 0

thì và được gọi là ứng suất toàn phần tại K.

Như vậy:“Ứng suất toàn phần P tại điểm bất kỳ trên mặt cắt là tỷ số giữa trị

số nội lực tác dụng trên phân tố diện tích bao quanh điểm K đó với chính diện tích đó”.

Đơn vị của ứng suất P là N/ hay Pascal (Pa).

Từ định nghĩa trên, ta có thể xem ứng suất toàn phần P là trị số của nội lực trên một

đơn vị diện tích của mặt cắt. Từ hình I.2.1 ta phân tích P ra hai thành phần:

- Ứng suất thành phần có phương vng góc với mặt cắt được gọi là ứng suất pháp, kí

hiệu là (đọc là xích ma).

- Ứng suất thành phần có phương tiếp tuyến với mặt cắt được gọi là ứng suất tiếp, kí hiệu

là (đọc là tơ).

= +

Đơn vị của σ và τ cũng tương tự như đơn vị của P (N/ hay Pa).



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 5



(1.2)



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Tùy theo hình thức biến dạng, ứng suất được xác định bằng những công thức khác nhau.

I.2.2 Ứng suất trên mặt cắt ngang

Xét một thanh chịu kéo đúng tâm, trước khi thanh

chịu lực, ta kẻ trên bề mặt ngồi của thanh những

đường thẳng vng góc với trục của thanh biểu thị cho

các mặt cắt của thanh và những đường thẳng song song

với trục của thanh biểu thị cho các thớ dọc của thanh

(hình I.2.2a).

Sau khi tác dụng lực kéo P, ta thấy những đoạn thẳng

vng góc với trục thanh di chuyển xuống phía dưới,

nhưng vẫn thẳng và vng góc trục, còn những đường

thẳng song song với trục thanh thì dịch lại gần với

nhau, nhưng vẫn thẳng và song song với trục của thanh (hình I.2.2b).

Với giả thiết biến dạng xảy ra bên trong thanh tương tự như biến dạng quan sát được

bên mặt ngoài thanh, ta có thể kết luận:

 Các mặt cắt của thanh vẫn phẳng và vng góc với trục thanh.

 Các thớ dọc của thanh vẫn thẳng và song song với trục thanh.



Dựa vào hai kết luận trên, ta có thể thấy nội lực phân bố trên mặt cắt phải có phương

song song với trục thanh, tức là có phương vng góc với mặt cắt. Vậy trên mặt cắt của

thanh chịu kéo (hoặc chịu nén) chỉ có ứng suất pháp σ. Ngồi ra, nội lực phân bố đều trên

mặt cắt, do đó ứng suất pháp tại mọi điểm trên mặt cắt có trị số bằng nhau.

Vậy ta có thể viết được biểu thức liên hệ giữa những nội lực N phân bố trên mặt cắt S

N = σ.S



như sau:

Từ đó rút ra:

Tổng quát ta có thể viết: :



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



=

=



(1.3)

(1.4)

(1.5)



Page 6



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Dấu “ + ” hoặc “ – ” được lấy tùy theo nội lực N là kéo hoặc nén.

Có thể phát biểu cơng thức (1.5) như sau:“ Trị số ứng suất pháp trên mặt cắt của thanh

chịu kéo hay chịu nén bằng tỷ số giữa nội lực dọc theo mặt cắt đó với diện tích mắt cắt”.

I.3. Độ biến dạng

Dưới tác dụng của lực kéo P thanh sẽ dài thêm ra, nhưng chiều ngang hẹp bớt lại (hình

I.3a) hoặc ngược lại (hình I.3b), ở đây thanh bị biến dạng vẽ bằng nét đứt. Chiều dài

thanh thay đổi một đoạn ∆ = – , gọi là biến dạng dọc tuyệt đối. Nếu thanh dài ra, ∆l gọi

là độ giãn dọc tuyệt đối và có trị số dương; nếu thanh ngắn đi, ∆ gọi là độ co tuyệt đối và

có trị số âm. Đơn vị của biến dạng dọc tuyệt đối là mét (m).

Để so sánh biến dạng dọc của thanh có chiều dài khác nhau, người ta dùng khái niệm

biến dạng dọc tương đối, tức là độ biến dạng tuyệt đối trên mỗi đơn vị chiều dài thanh.

Biến dạng dọc tương đối ký hiệu bằng chữ

ε(epxilon) và tính như sau:

=

(1.6)

Trong đó: ε là một hư số, cùng dấu với ∆.

Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của lực

kéo dọc P, thanh dài ra nhưng chiều ngang

hẹp lại một đoạn = – ; gọi là biến dạng

ngang tuyệt đối, mang trị số dương nếu bề

ngang tăng thêm, có trị số âm nếu bề ngang

hẹp lại.

Để so sánh biến dạng ngang của những

thanh có kích thước ngang khác nhau, người

ta cũng dùng khái niệm biến dạng ngang

tương đối, tức là biến dạng tuyệt đối trên

mỗi đơn vị chiều ngang của thanh. Biến dạng ngang tương đối ký hiệu là và tính như sau:

=

(1.7)

Trong đó: là một hư số cùng dấu của với .

Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng giữa ε và có mối liên hệ với nhau như sau:

SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 7



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



= - hay = (1.8)

Dấu “-” trước tỷ số và ε biểu hiện chúng luôn luôn ngược nhau, nghĩa là nếu chiều dài

dài thêm thì chiều ngang hẹp bớt và ngược lại.

Trong biểu thức trên, ( muy) gọi là hệ số Poisson hay hệ số biến dạng ngang, nó đặc

trưng cho tính đàn hồi của vật rắn, hệ số này là một hư số.

I.4. Định luật Hooke

Năm 1676, qua thí nghiệm kéo, nén những mẫu làm bằng vật liệu khác nhau, nhà vật lý

Robert Hooke (1635 – 1703) cho rằng: “khi lực tác động P chưa vượt quá một giới hạn

nào đó (giới hạn này tùy từng vật liệu) thì biến dạng dọc tuyệt đối của mẫu thí nghiệm

luôn luôn tỷ lệ thuận với lực P” và biểu thức của nó ứng với các trường hợp trên hình I.3

có dạng là:

=

(1.9)

Nếu chú ý rằng lực dọc (hay thường gọi là nội lực) N = P thì ta có thể viết :

=

(1.10)

Trong đó, gọi là modul đàn hồi khi kéo (hoặc nén) vật liệu. Nó là một hằng số vật lý

đặc trưng cho khả năng chống lại sự biến dạng khi chịu lực kéo hay nén của từng loại vật

liệu trong phạm vi biến dạng đàn hồi. Trị số xác định bằng thí nghiệm và có đơn vị là

mega niutơn trên mét vng (MN/m2). Tích số được gọi là độ cứng khi kéo (hoặc nén)

đúng tâm, vì tùy theo trị số lớn hay nhỏ thì biến dạng dọc của thanh sẽ nhỏ hay lớn. Trị

số có thể mang dấu “+” hay “–” tùy theo trị số lực dọc N là dương hay âm.

Biểu thức (1.10) có thể viết thành :

=

(1.11)

Mặt khác, ta đã biết = và = . Vậy thay vào (1.11) ta được:

= hay = E

(1.12)

Từ biểu thức (1.12) ta có thể phát triển như sau: “Khi vật chịu kéo (hoặc chịu nén)

đúng tâm, ứng suất pháp trên mặt cắt của vật tỷ lệ thuận với biến dạng tương đối ε”.

Đó là định luật Hooke khi kéo (hoặc nén) đúng tâm.

I.5. Đường cong ứng suất – biến dạng

Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất pháp và biến dạng dọc tương đối

gọi là đường cong ứng suất – biến dạng. Xét phản ứng của vật rắn khi biến dạng, có thể

chia đường cong ứng suất – biến dạng làm hai vùng: vùng biến dạng đàn hồi và vùng biến

dạng đàn hồi – dẻo.



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 8



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



I.5.1. Vùng biến dạng đàn hồi

Khi lực kéo còn nhỏ, mẫu chỉ biến

dạng đàn hồi, đặc trưng của giai đoạn này

là khi dỡ bỏ tải trọng, mẫu lại phục hồi trở

lại chiều dài ban đầu. Trong vùng này tồn

tại mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất

pháp và biến dạng dọc tương đối tuân

theo định luật Hooke: = E.

Modul đàn hồi đặc trưng cho thuộc

tính đàn hồi của vật rắn dưới tác dụng của

ứng suất pháp . Vùng biến dạng đàn hồi

được giới hạn bởi giới hạn đàn hồi . Việc

xác định chính xác giới hạn đàn hồi nhiều

khi rất khó khăn nên người ta thường quy

định lấy làm giới hạn đàn hồi, đó là ứng

suất tương ứng với mức độ biến dạng dư

= 0,01%.

I.5.2. Vùng biến dạng đàn hồi – dẻo

Nếu tải trọng tăng lên khiến ứng suất trong mẫu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật rắn

bắt đầu quá trình chảy dẻo. Trong vùng này nếu dỡ bỏ tải trọng thì mẫu khơng phục hồi

được chiều dài ban đầu mà vẫn bị dãn dài ra một đoạn và trên đường cong ứng suất biến

dạng được thể hiện bằng mức độ biến dạng dư . Ứng suất làm cho vật rắn bắt đầu chảy

dẻo gọi là giới hạn chảy .

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ phi tuyến. Kèm theo biến dạng dẻo bao

giờ cũng có biến dạng đàn hồi. Trong kỹ thuật người ta quy định giới hạn chảy là ứng suất

gây nên một lượng biến dạng dư bằng 0,2%, kí hiệu là đối với những vật rắn có đường

cong ứng suất – biến dạng khơng có vùng chảy rõ rệt. Còn đối với những vật rắn có

đường cong ứng suất – biến dạng có vùng chảy rõ rệt thì việc xác định là dễ dàng.

I.6. Các phương pháp biến dạng



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 9



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Trên thực tế có hàng trăm phương pháp biến dạng khác nhau và trong mỗi phương

pháp đồng thời xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất khác nhau, chúng biến đổi trong quá

trình biến dạng. Căn cứ vào những ứng suất có tác dụng chủ yếu đối với q trình biến

dạng, ta phân thành 5 nhóm lớn sau đây:

I.6.1 Biến dạng kéo

Khi thanh chịu tác dụng của

những lực đặt dọc theo trục

thanh thì thanh bị giãn ra. Ta

gọi thanh chịu kéo (hình I.6.1).

Trong quá trình biến dạng trục

thanh vẫn thẳng (đường đứt

nét biểu diễn hình dạng của thanh sau khi biến dạng).

Trạng thái dẻo trong vật rắn biến dạng chủ yếu được gây ra bởi ứng suất kéo một hoặc

nhiều chiều. Thuộc nhóm này có các phương pháp kéo dãn, dập phình, dập định hình...

I.6.2 Biến dạng nén

Khi thanh chịu tác dụng

của những lực đặt dọc theo

trục thanh thì thanh bị co lại.

Ta gọi thanh chịu nén (hình

I.6.2). Trong quá trình biến

dạng trục thanh vẫn thẳng

(đường đứt nét biểu diễn

hình dạng của thanh sau khi

biến dạng).

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi ứng suất nén một hoặc

nhiều chiều. Thuộc nhóm này có các phương pháp cán, rèn tự do, rèn khuôn, ép chảy...

I.6.3 Biến dạng uốn

Khi thanh chịu tác dụng của các lực vng góc với trục thanh, trục thanh bị uốn cong,

ta gọi thanh chịu uốn (hình I.6.3).



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 10



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Thanh chịu uốn gọi là dầm. Ngoại lực gây uốn

phẳng là những lực tập trung có phương vng

góc với trục dầm hoặc những ngẫu lực nằm trong

mặt phẳng đối xứng chứa trục dầm.

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu

được gây nên bởi trọng tải uốn. Thuộc nhóm này

có các phương pháp uốn với dụng cụ chuyển

động thẳng hoặc chuyển động quay. Ví dụ: thân dao bào khi cắt gọt, dầm nâng tải trọng...

I.6.4. Biến dạng cắt (trượt)

Một thanh gọi là chịu cắt khi ngoại lực tác

dụng là hai lực song song, ngược chiều có

cùng trị số và nằm trên hai mặt cắt rất gần

nhau của thanh. Mối ghép bằng đinh tán là

một ví dụ đơn giản về thanh chịu cắt. Mỗi

đinh tán là một thanh chịu cắt (hình I.6.4).

Trạng thái dẻo trong vật thể chủ yếu được

gây nên bởi tải trọng cắt. Thuộc nhóm này

có các phương pháp trượt, xoắn...

I.6.5. Biến dạng xoắn

Khi ngoại lực nằm trong mặt phẳng vng

góc với trục thanh và tạo thành các ngẫu lực trong mặt phẳng đó thì làm cho thanh bị

xoắn (hình I.6.5). Sau biến dạng các đường sinh ở bề mặt ngồi trở thành các đường xoắn

ốc.



II.

Đặc

tính nhiệt



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 11



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



II.1. Định nghĩa nhiệt dung

Nhiệt dung là lượng nhiệt vật hoặc một khối chất thu vào hay tỏa ra để tăng hoặc giảm

1°K hoặc 1°C. Biểu thức của nhiệt dung C có dạng:

C=

Trong đó: Q là năng lượng cần để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT.

II.1.1. Nhiệt dung riêng, nhiệt dung phân tử



(2.1)



a. Nhiệt dung riêng c của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt lượng

cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên .

Gọi m là khối lượng của vật, δQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong quá trình cân bằng

và dT là độ biến thiên nhiệt độ của vật trong quá trình đó thì:

c=



(2.2)



b. Nhiệt dung phân tử C của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt lượng

cần thiết truyền cho một mol chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên .

C=c



(2.3)



Trong đó: μ là khối lượng của 1mol chất đó. Trong hệ đơn vị SI đơn vị của c là J/kg.K,

đơn vị của C là J/mol.K.

II.1.2. Nhiệt dung đẳng tích, nhiệt dung đẳng áp

Nhiệt dung của một chất có thể được đo trong điều kiện nhiệt độ khơng đổi hoặc thể

tích khơng đổi. Do đó, trong thực tế, có 2 cách đo nhiệt dung của vật tương ứng với các

điều kiện môi trường kèm theo sự truyền nhiệt.

 Một là, nhiệt dung đẳng tích : = – nhiệt dung tại thể tích khơng đổi.

 Hai là, nhiệt dung đẳng áp : = – nhiệt dung tại áp suất khơng đổi.

Khi nói đến nhiệt dung ta thường nghĩ tới nhiệt dung ở thể tích không đổi là đại lượng

cơ bản hơn là nhiệt dung ở áp suất không đổi , thường xác định được bằng thực nghiệm.

Trong nhiệt động học ta có:

- = 9BVT

(2.4)

Trong đó, là hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính, V là thể tích, B là modul nén thủy tĩnh. và

nói chung không khác nhau nhiều ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng.

II.2. Nhiệt dung do dao động mạng



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 12



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Trong đa số các chất rắn, dạng cân bằng năng lượng nhiệt chủ yếu bằng sự tăng năng

lượng dao động của các nguyên tử. Nguyên tử trong chất rắn không ngừng dao động ở tần

số rất cao và với biên độ tương đối nhỏ. Những dao động của các nguyên tử lân cận phối

hợp với nhau bằng liên kết nguyên tử và theo phương thức truyền sóng mạng, có thể xem

đó là những sóng đàn hồi hay nói đơn giản là những sóng âm, có bước sóng ngắn và tần

số rất cao, lan truyền trong tinh thể với tốc độ âm thanh. Năng lượng dao động nhiệt của

chất rắn bao gồm một dãy các sóng đàn hồi có phân bố và tần số khác nhau. Theo lý

thuyết lượng tử, năng lượng dao động nhiệt trong chất rắn bị lượng tử hoá, chỉ có một số

giá trị năng lượng là được phép. Một lượng tử đơn của năng lượng dao động được gọi là

một phonon (tương tự như lượng tử của bức xạ điện từ photon). Bản thân sóng dao động

có khi cũng được gọi bằng thuật ngữ phonon.

Từ thực nghiệm đối với nhiều chất rắn vơ cơ, người ta đã tóm tắt thành 3 quan điểm:

 Thứ nhất, tại nhiệt độ phòng, các giá trị nhiệt dung của hầu hết các chất rắn cỡ 3N, nghĩa

là 25 Jun/mol.K hay 6 calo/mol.K, trong đó là hằng số Boltzmann.

 Thứ hai, ở nhiệt độ thấp, nhiệt dung giảm mạnh và ở vùng gần độ không tuyệt đối, nhiệt

dung tiến tới 0 theo đối với điện môi và theo T đối với kim loại. Nếu kim loại biến thành

siêu dẫn (trạng thái siêu dẫn) thì nhiệt dung giảm nhanh hơn.

 Thứ ba, trong các vật liệu từ thể rắn ở tất cả mọi vùng nhiệt độ có tồn tại trật tự hóa của

hệ các momen từ hạt nhân có thể có đóng góp rất lớn vào nhiệt dung.

Từ đồ thị hình II.2, kết hợp với 3

quan điểm nêu trên cho ta sự phụ thuộc

của nhiệt dung vào nhiệt độ như sau:

 Quan điểm thứ nhất xuất phát từ



định luật Dulong – Petit cổ điển (1819),

cho rằng:“nhiệt dung phân tử của chất

rắn không phụ thuộc vào nhiệt độ và

như nhau với mọi chất”. Định lí này chỉ

đúng khi xem xét ở nhiệt độ đủ cao



SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 13



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



(xấp xỉ từ nhiệt độ phòng trở lên), khi đó nhiệt dung phân tử của chất rắn không đổi với

mọi chất:

3N = 3R = 25 Jun/mol.K

(2.5)

 Ở nhiệt độ thấp, lý thuyết nhiệt dung được giải thích theo quan điểm lượng tử. Lý thuyết

nhiệt dung của chất rắn đầu tiên dựa trên cơ sở của cơ học lượng tử được Einstein đưa ra

vào năm 1906, cho phép giải thích kết quả sự giảm nhiệt dung riêng theo nhiệt độ.

Einstein cho rằng:“nhiệt dung riêng của các chất khác nhau là khác nhau và nó phụ

thuộc vào hằng số mạng a của mỗi chất và cấu trúc mạng tinh thể của chất đó” . Ở vùng

nhiệt độ cao kết quả lý thuyết của Einstein phù hợp với kết quả cổ điển, tức là định luật

Dulong – Petit:“nhiệt dung phân tử của chất rắn là như nhau và không phụ thuộc vào

hằng số mạng a”. Tuy nhiên, khi xét ở nhiệt độ thấp kết quả của Einstein đưa ra T 0 thì

0 theo hàm lại không phù hợp với thực nghiệm. Thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ thấp,

nhiệt dung giảm theo bậc ba của nhiệt độ



chứ không tiến tới 0 không nhanh như quy



luật hàm e mũ, kết quả này trùng với lý thuyết Debye về nhiệt dung đưa ra vào năm 1912.

So với lý thuyết của Einstein thì lý thuyết Debye phù hợp tốt hơn với thực nghiệm, vì vậy

cho đến nay nó vẫn được coi là lý thuyết đúng đắn nhất. Đây cũng chính là nội dung của

quan điểm thứ hai.

II.3. Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ

thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phân tử và nguyên tử.

II.3.1 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của chất rắn.

Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên bởi Jean Baptist Biot (1774 - 1862)

dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng sau này mang tên của nhà tốn lý Jean

Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), ơng là người đã ứng dụng các kết quả này vào sự

phân tích lý thuyết về nhiệt. Định luật này phát biểu như sau: “Mật độ dòng nhiệt truyền

qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vng

góc với phương truyền và gradien nhiệt độ theo phương ấy”.

Giả sử dòng nhiệt theo phương , định luật Fourier thể hiện như sau:

= - , đơn vị oát [W]

(2.5a)

Hay:

= = - , đơn vị [W/]

(2.5b)

SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 14



TL VẬT LÝ CHẤT RẮN



GVHD: LÊ ĐÌNH



Trong đó:

• - dòng nhiệt truyền qua diện tích S, [J/s].

• - mật độ dòng nhiệt, tức là dòng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị

thời gian (diện tích được lấy vng góc với hướng của dòng nhiệt), [W/].

• S - diện tích bề mặt truyền nhiệt qua, [].

• dT/dx - gradient nhiệt độ qua mơi trường dẫn nhiệt, [K/m].

Phương trình (2.5a,b) chỉ có giá trị đối với dòng nhiệt ở trạng thái ổn định, nghĩa là

trong điều kiện mà mật độ dòng nhiệt khơng thay đổi theo thời gian. Do quy ước chiều

dương của vector gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ, còn vector mật độ dòng

nhiệt ln đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “-” trong phương trình (2.5a,b).

Thực nghiệm đã xác minh hệ số tỷ lệ trong phương trình (2.5a,b) là một thơng số vật

lý của chất rắn đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể được gọi là hệ số dẫn nhiệt.

Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và được xác định bằng

thực nghiệm. Thông thường trong các thực nghiệm, từ việc xác định mật độ dòng nhiệt và

gradient nhiệt độ thì hệ số dẫn nhiệt được tìm theo cơng thức:

= , đơn vị [W/mK]

(2.6)

Từ (2.6) ta thấy, hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị bề

mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng 1. Thực nghiệm

cũng chứng tỏ rằng hầu hết các chất rắn, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ

đường thẳng:

= (1+bt)

(2.7)

Trong đó: là hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0; b là hằng số xác định bằng thực nghiệm.

II.3.2. Các cơ chế dẫn nhiệt

Trong chất rắn, nhiệt được truyền bởi cả sóng dao động mạng (phonon) và điện tử tự

do. Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của hai thành phần theo hai cơ chế đó là:

= +

(2.8)

Trong đó: , là độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử. Thông thường thì một

trong hai thành phần đó chiếm ưu thế. Năng lượng nhiệt các phonon, tức là các sóng

mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. Thành phần gây bởi chuyển

động thuần của các phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp trong vật thể. Các

điện tử tự do (các điện tử dẫn) cũng tham gia dẫn nhiệt. Ở vùng nóng của chất rắn điện tử

tự do có động năng lớn hơn. Chúng di chuyển đến những vùng lạnh hơn và một phần

động năng này được chuyển bù thêm cho các nguyên tử (năng lượng dao động) như là kết

SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY



Page 15



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

V. Phương pháp nghiên cứu đề tài

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×