Tepelná vodivost pevných látek

Podobné dokumenty
Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

Kovy - model volných elektronů

Fyzika IV. g( ) Vibrace jader atomů v krystalové mříži

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Vlastnosti pevných látek

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Termomechanika 11. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Příloha formuláře C OKRUHY

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Výpočtové nadstavby pro CAD

Termomechanika 9. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Vlastnosti pevných látek

102FYZB-Termomechanika

Struktura a vlastnosti kovů I.

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Vznik a šíření elektromagnetických vln

Technologie a procesy sušení dřeva

Maturitní témata fyzika

1 Tepelné kapacity krystalů

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Kmity a mechanické vlnění. neperiodický periodický

Kryogenní materiály. Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav II NFPL146 NFPL 095 ZS 2010/11

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Světlo x elmag. záření. základní principy

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Kvantová fyzika pevných látek

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Vlastnosti pevných látek

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

F6121 Základy fyziky pevných látek příklady do cvičení

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

2. Elektrotechnické materiály

Vlny v plazmatu. Narušení rovnováhy, perturbace se šíří prostorem => vlny Vlna musí být řešením příslušných rovnic plazmatu => módy

Úvod do laserové techniky

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

VI. Nestacionární vedení tepla

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Fyzika - Sexta, 2. ročník

1.8. Mechanické vlnění

Maturitní temata z fyziky pro 4.B, OkB ve školním roce 2011/2012

Přehled veličin elektrických obvodů

1 Zatížení konstrukcí teplotou

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Úvod do laserové techniky

PROCESY V TECHNICE BUDOV 12

Molekulová fyzika a termika:

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

FBI nevratné procesy Nevratný proces Nevratný proces nevratný ireverzibilní děj relaxační procesy Fickův zákon Fourierův zákon Ohmův zákon

Tepelná kapacita = T. Ē = 1 2 hν + hν. 1 = 1 e x. ln dx. Einsteinův výpočet (1907): Soustava N nezávislých oscilátorů se stejnou vlastní frekvencí má

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Tento dokument je doplňkem opory pro studenty Přírodovědecké fakulty Univerzity Jana Evangelisty Purkyně.

MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Úvod do laserové techniky

Mol. fyz. a termodynamika

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

PROCESY V TECHNICE BUDOV 11

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

ZÁKLADY STAVEBNÍ FYZIKY

měření teploty Molekulová fyzika a termika Teplotní délková roztažnost V praxi úlohy

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

V mnoha běžných případech v optickém oboru je zanedbáváno silové působení magnetické složky elektromagnetického pole na náboje v látce str. 3 6.

Termomechanika 12. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním zkouškám DOKTORSKÉ STUDIUM

Daniel Franta. jaro Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita

VLASTNOSTI VLÁKEN. 3. Tepelné vlastnosti vláken

Maturitní okruhy Fyzika

Od kvantové mechaniky k chemii

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Elektromagnetické vlnění

Reliktní záření a jeho polarizace. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Krystalografie a strukturní analýza

ρ = 0 (nepřítomnost volných nábojů)

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

N_SFB. Stavebně fyzikální aspekty budov. Přednáška č. 3. Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN tepelně-fyzikální parametry

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

frekvence f (Hz) perioda T = 1/f (s)

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Charakteristiky optického záření

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

Elektrické vlastnosti pevných látek

Solární systémy. Termomechanický a termoelektrický princip

Úvod do vln v plazmatu

Transkript:

Tepelná vodivost pevných látek

Přenos tepla vedení mřížková část tepelné vodivosti Dvouatomový lineární řetězec přiblížení např. NaCl (1) u -1 (A) u s-1 (B) u (A) u s (B) u s+1 (B) u +1 (A) Např. = příčné výchylky k a mřížková konstanta krystalu ve směru šíření vlny M M A B d u dt d u dt C C u u 1 ( B ) u ( A ) u 1 ( ( B ) u A ) u ( ( A ) B ) Hookův zákon F=-Cu vede na harmonické kmity

M M A B d u dt d u dt C C u u 1 ( B ) u ( A ) u 1 ( ( B ) u A ) u ( ( A ) B ) u s A u s B i qa ωt = u A e i qa ωt = u B e DET= ω 4 C M A + M B M A M B ω + 4C M A M B sin qa = ω (q) = C M 1 ± 1 4M M A M B sin qa Disperzní vztah 1 M = M AM B M A + M B

w Dvouatomový lineární řetězec - disperze ω = C 1 M A + 1 M B 1 přiblížení např. NaCl (111) Pohyb v rámci elementární buňky Optická větev (+) ω = ω = C M B C M A 1 1 přiblížení 1 Akustická větev (-) M A M B w w 1 = 1 Pohyb v rámci celého krystalu π a q 1. Brillouinova zóna GAP

rovnej s vlastní frekvencí oscilátoru (Fyzika 1) ω = k m 1 Zde jich máme N! Dvouatomový lineární řetězec - disperze Akustická větev (1) Optická větev () Může vést k polarizaci = optická = 1 w w 1 GAP

w Vliv struktury na fononové spektrum a tepelnou vodivost v g = dω dq v g = dω dq ω q Vysvětlit rozdíl mezi grupovou a fázovou rychlostí (Lewin, L1)! v ph = ω q Máme-li N atomů v elementární buňce 3D mřížky, pak π a q máme také 3N větví vlastních frekvencí w, 3 akustické a 3N-3 optické. (vždy dvě transverzální a 1 longitudinální) Více atomů v elementární buňce = = větší/menší tepelná vodivost? Kinetická teorie

Fázová vs. grupová rychlost Lze dokumentovat i na zvuku: chwebungen.exe

Vliv struktury na tepelnou vodivost kinetická teorie w v g = dω dq π a q Tok částic v 1. směru x: Změna teploty podél její dráhy l/x: Tok energie tam + zpět: Velký počet fononů = velká tepelná vodivost, ale hlavně také velká pravděpodobnost U- procesu nad T Debye. Optické fonony mají malé v g a tedy málo přispívají k tepelné vodivosti. q 1 +q = q 3 q 1 +q = q 3 +T T T D T dn dt T = x dt dx x = 1 nv gx = l dt dx dq dt = dn dt Tc častice dq = 1 c dt dt 3 vlν g dx Kittel/155 l = ν g τ Fourierův zákon: κ L = 1 3 c νν g l Debye: ν g = ν zvuku

w tepelná vodivost umklapp procesy v g = dω dq π a q 1 +q = q 3 +T π a q κ L = 1 3 c νν g l V okolí T Debye strmě stoupá pravděpodobnost Umklapp- procesu. Při U- procesu se mění znaménko grupové rychlosti v g výsledného fononu ( po složení vln jde balíček na druhou stranu). To vede k poklesu tepelné vodivosti. Všimněte si, že i N-procesy mohou vést k částečnému snížení tepelné vodivosti kvůli poklesu v důsledku disperze. v g

L l = konst.=d κ L = 1 3 c νν g l T 3 Teplotní průběh tepelné vodivosti Debyeovo přiblížení: κ L T = k B π ν k B T ħ 3 θ DT τ C y 4 e y e y 1 dy y = ħω k B T T τ C 1 = ν d + Aω4 + Bω Te θ D 3T + (Cω) hranice bodové defekty 3-fononový umklapp elektron-fonon

Teplotní průběh tepelné vodivosti - skla L κ L T = k B π ν k B T ħ 3 θ DT τ C y 4 e y e y 1 dy τ C 1 = ν d + Aω4 + Bω Te θ D 3T + (Cω) Vliv ostatních procesů na relaxační čas jsou zanedbatelné U skelných materiálů chybí uspořádání na dlouhou vzdálenost volná dráha fononů srovnatelná s meziatomovou vzdáleností T κ L = 1 3 c νν g l

L = κ e σt = π 3 Elektronová složka tepelné vodivosti Abychom mohli provést analýzu mřížkové tepelné vodivosti musíme od celkové vodivosti odečíst elektronovou část. Wiedemann Franzův zákon Lorenzovo číslo: k e κ e σt = konst. Kinetická teorie: κ e = nπ k Tτ κ 3 σ = ne τ σ m τ pochází z různých procesů, je třeba vyšetřit, kdy můžeme krátit a kdy ne! Předpoklad, že vzhledem k vysoké tepelné rychlosti elektronů jsou obě τ stejná, nemusí být splněn - pochází z různých procesů a je třeba je vyšetřit. Závisí to na teplotě Matthiasenovo pravidlo 1 T T D τ = 1 τ 1 + 1 τ + 1 τ 3 Neplatí přesně pokud =f(q) nebo 1

Lorenzovo číslo - analýza až po el.vodivosti τ σ j f FD τ κ Q f FD teplo chladno 1) T T D q fonon k F L = L E τ σ, τ κ 1 n fononů 1 T E ) TT D q fonon k F τ σ, τ κ L = L 1 n nečistot fonony 3) TT D q fonon < k F τ σ τ κ L L L < L

Tepelná vodivost pevných látek makroskopický popis Fourierův zákon: dq dt = κ grad T LFA Wm Wm K K m 1 1 1 je tepelná vodivost T je teplota Q je tepelný tok, směr vektoru je směrem plochy Tepelná vodivost je materiálovým parametrem, který může mít a) mřížkovou složku (všechny materiály) b) elektronovou složku (vodiče + polovodiče) c) bipolární složku (polovodiče) Mikroskopický pohled

Přenos tepla záření pozor na průhledné vzorky tefanův-boltzmanův zákon: Pro dvě tělesa s radiační výměnou tepla: dq dt = σt4 dq dt = εσ T4 T 4 je emisivita (pro a. černé těleso = 1) je.-b. konstanta max T. 9 m K T, T je teplota chladnějšího, teplejšího tělesa Q je převedené teplo z plochy 15c 5 4 k 8 1 4 5, 671 Js m K 3 h T T

Newtonův zákon: Přenos tepla - konvekce Přenos tepla z pevného tělesa do plynu nebo kapaliny dq dt = β T T T, T je teplota chladnějšího, teplejšího media Q je převedené teplo ze styčné plochy tělesa koeficient přestupu tepla (z experimentu) Zjednodušit lze zavedením bezrozměrných kriterií (Biotovo, Prandtlovo, CHEMING) T Bi = V κ T