Bài giảng Tính chất nhiệt - Cao Xuân Việt

TÍNH CHẤT NHIỆT 
NHIỆT ĐỘ 
• Nhiệt độ đặc trưng mức 
chuyển động các phần tử 
trong mạng. 
• T = 0 K: Các phần tử đứng 
yên, nhưng các electron vẫn 
chuyển động. 
NGUYÊN LÝ THỨ BA CỦA 
NHIỆT ĐỘNG HỌC: 
T = 0 K 
Khi các phần tử đứng yên ở 
nút mạng. 
Hình ảnh minh họa nhiệt và dao động nguyên tử 
• Nhiệt làm nguyên tử dao động. 
• Dao động đồng bộ thường có cấu hình năng lượng thấp. 
• + Tạo sóng dịch chuyển ng.tử. 
• + Còn gọi là phonons, tương tự photons nhưng chuyển động ng.tử 
thay cho quang lượng tử. 
Temperature Dependence of the Heat Capacity 
• Vật liệu thay đổi kích thước khi đốt nóng 
)( 0
0
0 TT
L
LL



CTE: coefficent of thermal expanssion 
HSDNN (units: 1/K) 
Tinit
Tfinal
Lfinal
Linit
DÃN NỞ NHIỆT 
L final  L initial
L initial
 (Tfinal  Tinitial )
• Chiều dài liên kết, r 
• Năng lượng liên kết, Eo 
F 
F 
r 
 CÁC TÍNH CHẤT THEO LIÊN KẾT 
Năng lượng và chiều dài liên kết 
• Nhiệt độ nóng chảy, Tm 
Tm lớn hơn nếu Eo lớn hơn. 
CÁC TÍNH CHẤT TỪ LIÊN KẾT: TM 
• Modulu đàn hồi, E 
• E ~ độ cong tại ro 
L F 
Ao 
= E 
Lo 
Elastic modulus 
r 
larger Elastic Modulus 
smaller Elastic Modulus 
Energy 
ro 
unstretched length 
E lớn hơn nếu độ cong lớn hơn. 
CÁC TÍNH CHẤT TỪ LIÊN KẾT 
Tính đàn hồi 
E tương tự như hằng số lò so 
• Hệ số dãn nở nhiệt,  
•  ~ đối xứng tại ro 
 lớn hơn nếu Eo bé hơn 
và không đối xứng . 
 =  (T2-T1) 
L 
Lo 
coeff. thermal expansion 
TÍNH CHẤT TỪ LIÊN KẾT: CTE or  
T0 
T2 
T3 
Vị trí nguyên tử và dao động 
• Minimum năng lượng nguyên tử 
tương ứng với đường cong khoảng 
cách giữa các nguyên tử đàn hồi ở 
ngay bên cạnh (chiều dài liên kết). 
• Chiều rộng của đường cong tỷ lệ 
với biên độ dao động nhiệt của 
nguyên tử. 
• Nếu đường cong đối xứng, không 
có sự dịch vị trí trung bình của 
nguyên tử (là tâm của dao động ở 
mọi giá trị T). 
• HSDNN không có thể bỏ qua 
(negligible) với tường năng lượng 
đối xứng. 
Sự dãn nở nhiệt 
• Nếu đường cong không đối xứng, nguyên tử bị trượt đi 
so với vị trí trung bình. 
• Chiều dài liên kết thay đổi (usually get bigger for 
increased T). 
• HSDNN khác không (nonzero). 
Tại sao  giảm khi tăng 
năng lượng liên kết ? 
Selected values from Table 19.1, Callister 6e. 
SO SÁNH HSDNN 
•Sự dãn nở nhiệt luôn 
phải tính tới trong thiết 
kế, từ bán dẫn tới cây 
cầu. 
•Cần quan tâm đặc biệt 
khi nhiệt độ thay đổi 
nhiều (máy, thiết bị). 
Ví dụ tính HSDNN 
• VÍ DỤ 
• Một dây nhôm (Al) dài 10 m bị làm nguội từ 38 tới -
10C. Chiều dài sợi dây biến đổi như thế nào ? 
• TÍNH: 
 l = lolT
  )381()(106.23m) (10 = -16 CCCx 
= - 9.2 mm 
• Khái niệm: Khả năng truyền nhiệt của vật liệu. 
• Định lượng: 
q  k
dT
dx
temperature 
gradient 
k= thermal conductivity (J/m-K-s): 
Defines material’s ability to transfer heat. 
heat flux 
(J/m2-s) 
Q.điểm ng.tử: Dao động electron (hoặc ng.tử) 
truyền từ vùng T cao tới vùng T thấp. 
Kim loại: dao động electron tự do là chính. 
Ceramic và Polymer: phonons là chính 
SỰ DẪN NHIỆT 
THERMAL CONDUCTIVITY 
Fick’s First Law 
SỰ DẪN NHIỆT 
 
2
nd
2
 ' 2 L
T T T T
k if K f T k Fick s aw
t x x t x
      
             
Fick’s Second 
Law 
• TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH: 
dT/dt không phải hằng số. 
Selected values from Table 19.1, Callister 6e. 
K=kl+ke: Again think about band gaps: metals have lots of free electrons 
(ke is large), while ceramics have few (only kl is active). 
SỰ DẪN NHIỆT 
Kim loại và hợp kim: các electron tự do 
nhảy mức năng lượng do dao động nhiệt 
của ng.tử theo sự tăng hay giảm T. 
Cách nhiệt (cách điện) không có electron tự 
do. Các phonon (lượng tử dao động mạng) 
sẽ tăng hoặc giảm theo T. 
SỰ DẪN NHIỆT 
• Thermal conductivity is 
temperature dependent. 
– Analagous to electron 
scattering. 
– Usually first decreases with 
increasing temperature 
• Higher Temp=more 
scattering of electrons AND 
phonons, thus less transfer 
of heat. 
– Then increases at still higher 
temperatures due to other 
processes we haven‘t 
considered in this class 
(radiative heat transfer—eg. IR 
lamps). 
THERMAL CONDUCTIVITY 
• Occurs due to: 
 --uneven heating/cooling 
 --mismatch in thermal expansion. 
• Example Problem 
 --A brass rod is stress-free at room temperature (20C). 
 --It is heated up, but prevented from lengthening. 
 --At what T does the stress reach -172MPa? 
T
L
Answer: 106C 
THERMAL STRESSES 
-172MPa 
100GPa 20 x 10-6 /C 
20C 
)()( othermal TTEE  
)( othermal
o
TT
L
L



Strain (ε) due to ∆T causes a stress (σ) that 
depends on the modulus of elasticity (E): 
THERMOELECTRIC COOLING & HEATING 
Two different materials are connected at the their ends and 
form a loop. One junction is heated up. 
There exists a potential difference that is proportional to 
the temperature difference between the ends. 
)V/K(tCoefficienSeebeck 
dT
dV
S 
THERMOELECTRIC COOLING & HEATING 
Reverse of the Seebeck effect is the Peltier Effect. 
A direct current flowing through heterojunctions causes one junction 
to be cooled and one junction to be heated up. 
Lead telluride and or bismuth telluride are typical materials in 
thermoelectric devices that are used for heating and refrigeration. 
Why does this happen? 
When two different electrical conductors are brought 
together, e- are transferred from the material with higher 
EF to the one with the lower EF until EF (material 1)= EF 
(material 2). 
Material with smaller EF will be (-) charged. This results in 
a contact potential which depends on T. 
e- at higher EF are caused by the current to transfer their 
energy to the material with lower EF, which in turn heats 
up. Material with higher EF loses energy and cools down. 
Peltier–Seebeck effect, or the thermoelectric effect, is 
the direct conversion of thermal differentials to electric 
voltage and vice versa. 
The effect for metals and alloys is small, microvolts/K. 
For Bi2Te3 or PbTe (semiconductors), it can reach up to 
millivolts/K. 
Applications: Temperature measurement via 
thermocouples (copper/constantan, Cu-45%Ni, chromel, 
90%Ni-10%Cr,); thermoelectric power generators 
(used in Siberia and Alaska); thermoelectric 
refrigerators; thermal diode in microprocessors to 
monitor T in the microprocessors die or in other thermal 
sensor or actuators. 
THERMOELECTRIC COOLING & HEATING