Chapter 19: Thermal Properties

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상이 공
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1 재료의열적물성

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2 동기유발 휘어진철길 우주왕복선 2

3 열용량 열용량 (Heat Capacity) a) 정의 - 열용량 (J/mol K): 열을흡수할수있는재료의능력 - C p ( 정압열용량 ), C v ( 정적열용량 ) (C p usually > C v ) b) 열용량의계산 - 1 몰의재료에대해온도 1 unit 상승에요구되는에너지 열용량 (J/mol-K) c) 열용량의온도의존성 에너지공급 (J/mol) 온도변화 (K) 3R C v = 일정 - 온도에따른열용량증가 (<3R) (R ( 기체상수 ) = 8.31 J/mol-K) - 고체의열용량 : 3R 이하 - 디바이온도 (θ D ): 열용량의한계온도 ( 상온이하에서형성 ) 0 0 θ D T (K) 디바이 (Debye) 온도 3

4 비열증가 (specific heat, c p ) 비열 (Specific Heat) 재료 고분자 Polypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon 상온 c p (J/kg-K) c p (specific heat, J/kg-K) C p (heat capacity, J/mol-K) 세라믹 Magnesia (MgO) Alumina (Al 2 O 3 ) Glass 금속 Aluminum Steel Tungsten Gold Selected values from Table 20.1, Callister & Rethwisch 9e. 4

5 열의발생 열의발생원인 a) 열발생원인 - 열에너지 : 원자진동형태로저장 - 온도와열에너지 : 온도증가에따라평균열진동에너지 (atomic vibration energy) 증가 b) 원자진동 (Atomic vibrations) - 격자파동 (lattice waves) 및포논 (phonons) 의형태로서열에너지발생 c) 전자운동 (Electron motion) - 전자운동에의한열의발생 Adapted from Fig. 20.2, Callister & Rethwisch 9e. 5

6 열팽창현상 열팽창 (Thermal Expansion) - 정의 : 온도변화 ( 열에너지 ) 에따른재료의크기변화 initial final T initial T final T final > T initial 열팽창선형계수 (1/K or 1/ o C) 6

7 열팽창의현상 열팽창 (Thermal Expansion) a) 열적팽창 b) 열적무팽창 - 원자간거리 - 에너지의비대칭곡선 (Asymmetric curve) - 승온에따른원자간거리증가 (increased interatomic separation) - 열적팽창발생 - 원자간거리 - 에너지의대칭곡선 (Symmetric curve) - 승온에따른원자간거리변화없음 (no increase in interatomic separation) - 열적팽창없음 Fig. 20.3, Callister & Rethwisch 9e. 7

8 열팽창계수 ( ) 증가 열팽창계수 (Thermal Expansion Coefficient) 재료의열팽창계수 고분자 재료 상온열팽창계수 α (10-6 / o C) Polypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon 금속 Aluminum 23.6 Steel 12 Tungsten 4.5 Gold 14.2 세라믹 Magnesia (MgO) 13.5 Alumina (Al 2 O 3 ) 7.6 Soda-lime glass 9 Silica (cryst. SiO 2 ) 0.4 고분자는큰열팽창계수 (α ) 나타냄 약한이차결합 Selected values from Table 20.1, Callister & Rethwisch 9e. 8

9 열전도도 (Thermal Conductivity) 열전도도 a) 열전도도 : 열을이동시키는재료의능력 Fourier s Law 온도구배 열흐름 (J/m 2 s) 열전도도 (J/m K s) T 2 > T 1 T 1 x1 T 2 heat flux x2 b) 열전도개념 - 고온영역에서원자적진동 (vibrations) 과자유전자 (free electron) 는에너지를차가운영역으로이동시킴. 9

10 재료의열전도도 열전도도 (Thermal Conductivity) increasing k 재료 k (W/m-K) 금속 Aluminum 247 Steel 52 Tungsten 178 Gold 315 세라믹 Magnesia (MgO) 38 Alumina (Al 2 O 3 ) 39 Soda-lime glass 1.7 Silica (cryst. SiO 2 ) 1.4 고분자 Polypropylene 0.12 Polyethylene Polystyrene 0.13 Teflon 0.25 에너지전이메커니즘 원자진동및자유전자운동 (atomic vibrations and motion of free electrons) 원자진동 (atomic vibrations) 사슬분자의진동 / 회전 (vibration/rotation of chain molecules) Selected values from Table 20.1, Callister & Rethwisch 9e. 10

11 재료의열적응력 열적응력 (Thermal Stresses) a) 열적응력발생 - 열적팽창 / 수축을제한 (restrained) - 온도구배 (temp. gradients) 는차원변화제어 (differential dimensional changes) b) 열적응력계산 열응력 = s 11

12 12

13 열적쇼크저항 (Thermal Shock Resistance) 재료의열적쇼크저항 a) 열적쇼크발생 - 불균일한가열및급속냉각 급속냉각 (rapid quench) tries to contract during cooling T 2 σ 표면장력발생 resists contraction T 1 냉각에의해발생가능온도차이 파괴가능온도차이 (set σ = σ f ) set equal 13

14 열적보호시스템 (Thermal Protection System) 열적쇼크저항의응용 a) 응용처 Space Shuttle Orbiter Fig W, Chapter-opening photograph, Chapter 23, Callister 6e. 14

o C) nylon felt, silicon rubber coating (400 o C) 1 선체외부적용 2 내부미세구조 100mm -

15 열적보호시스템 (Thermal Protection System) b) 사용재료 - 재진입용외부타일 : 실리카 (Silica) ( 적용온도범위 : C) Distribution reinf C-C (1650 o C) silica tiles ( o C) nylon felt, silicon rubber coating (400 o C) 1 선체외부적용 2 내부미세구조 100mm - 기공도 (porosity) : 90% - 가공공정 : 고온열처리통한실리카섬유연결 ( 네트워크구조 ) Fig W, Callister 6e. 15

16 정리 열용량 (Heat capacity) - 단위온도 (T) 만큼재료 1 몰의온도를높이는데필요한에너지 - 원자진동 (atomic vibrations) 로에너지저장 열팽창계수 (Coefficient of thermal expansion) - 열팽창 : 재료의크기가온도에따라변함. - 물성 : 재료마다다른계수를갖고고분자가가장큰열팽창발현 열전도도 (Thermal conductivity) - 열전도도 : 재료의열을전달할수있는능력 - 물성 : 재료마다열전도능력다름. 금속의열전도능력가장우수 열충격저항 (Thermal shock resistance) - 열충격저항 : 급속냉각후, 재료의파괴방지능력 - 열충격저항 ( ) 클수록온도변화에대한재료의기계적내성큼 16

Chapter 2

Chapter 2 2 장원자결합과물성 배워야할주요내용 원자결합의근원은무엇인가? 어떤원자결합이있는가? 각각의원자결합은재료로하여금어떤성질을나타내게하는가? 1 원자의구조 : 원자핵 ( 양성자 + 중성자 )+ 전자 최외각의원자가전자 (Valence electrons) 가재료의성질을좌우한다!!! 1) 화학적 2) 전기적 3) 열적 4) 광학적 2 전자구조 (electronic structure)