[发明专利]一种基于力学手段检测固体比热容的方法

权利要求书

1.一种基于力学手段检测固体比热容的方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤100，查阅待测固体材料的弹性极限，若无法查到则通过实验获得待测固体材料的弹性极限；

步骤200，查阅待测固体材料的密度，若无法查到则通过实验获得待测固体材料的密度ρ；

步骤300，查阅待测固体材料的热膨胀系数，若无法查到则通过实验获得待测固体材料的热膨胀系数α；

步骤400，取待测固体材料制成一定形状的测试试件，设计在待测固体材料的弹性极限内的高频率拉伸实验，在近绝热条件下，对待测固体材料施加单轴应力，记录测试试件的温度变化；

具体为，记录F——单轴应力，S”——试件截面积，T₀——测试试件未受到荷载时的初始温度，T——测试试件受力后的温度；

步骤500，利用形变自由能推导得到定容比热容的表达式，将上述步骤中测定的单轴应力F、温度T、T₀，密度ρ和热膨胀系数α带入公式中，计算并进行数据处理，得到的待测材料定容比热容；

具体为，根据形变热力学理论，可将形变自由能f(ε_ik)表示为：

式(1)中：K为体积模量，μ为剪切模量，δ_ik为Kronecker-delta记号，ε_ik、ε_ll为应变张量分量；

当温度改变量(T-T₀)相对较小时，物体的熵S表示为：

式(2)中：S(ε_ll，T)是当温度变为T并发生ε_ll的体应变时试件的熵；S₀(T₀)是未变形试件在温度T₀下的熵；C_V1为物体在温度T₀时的体积定容比热容；α是试件的热膨胀系数；当物体绝热形变时，熵S为常量，即ΔS＝0，由此可以确定温度变化ΔT＝T-T₀与体积应变改变量θ＝ε_ll-0之间的关系：

由(3)公式能够得到当物体绝热形变时，待测材料质量定容比热容表达式：

式(4)中：ΔT＝T-T₀为试件在一个循环加载周期中的温度变化值；

由于试件单轴拉伸时，其应力状态改变的理论值为：

Δσ_x＝0，Δσ_z＝0，

其中：Δσ_y为试件在单轴拉伸状态下所受轴向正应力改变量，Δσ_z为试件在单轴拉伸状态下所受横截面内竖向正应力改变量，Δσ_x为试件在单轴拉伸状态下所受横截面内水平向正应力改变量，△F为外加轴向力的改变量；

又因为体应变改变量与应力状态的改变符合关系式：

因此可知，单轴拉伸时，试件体应变改变量θ符合关系式：

综上，将公示(5)代入公式(4)得出待测材料定容比热容符合关系；

在所述步骤400中，在绝热条件下，在弹性范围内对试件施加周期循环载荷，每个加载周期记为x，其中x＝0、2、3……m，将不同加载周期分为若干组，每组选定若干连续周期，每组记为i，其中i＝1、2、3……n，每组施加单轴应力为F_i＝F_i-1+ΔF,每个加载周期内的温度变化值有效值为ΔT_x，m个周期内的温度平均变化值即为一组实验内的温度平均变化值ΔT_i：

ΔT_i＝(ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃+......ΔT_m)/m，

其中ΔT_x＝T_max-T_min，T_max为施加F_i的单轴应力时试件所达到的最高温度，T_min为最低温度；

将步骤400中的ΔT_i代入步骤500的公式中，以得到固体比热容的准确值：