142布拉格首文、固体比热容第二论文之量纲论证11.5 第(2/3)分页

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   有可能,应用无角度形变的形变来进行的这种测量会导致一些k值,和迄今为止所得到的测量结果相差颇大。这至少从理论观点看来是很可能的。”

    第三部分就此结束,第四部分题为《关于绝缘体热导率的几点提示》,这一部分通过分子力学的手法理论推导了绝缘体热导率的理论表达式,结果显示其与实验结果差距较大,之后,又用量纲论证的手法探讨了绝缘体热导率目前理论与实验结果差异的根源,并给出了实验建议和理论展望。

    通过分子力学理论推导绝缘体热导率的表达式采用的依然是中心原子/分子周边26邻近原子/分子模型,根据第一部分的方程2b:

    √Δ2=√(10/8)·πa·A2

    和方程2c2:

    `E=5a·A2

    可知,原子在半个振动周期内向周围各原子释放能量为自身能量e的α倍,α为一个数量级为1但小于1的系数,按方程2b/方程2c2的计算,α=3.51/5=0.702。

    则按中心原子/分子周边26邻近原子/分子模型,位于一个并不和任何分子相交的假想平面左侧的原子A(左侧原子数为18,右侧为9)在半次振动中越过平面而送出的能量是α·e·9/26,单位时间内越过平面的能量为α·e·9/26·2n;

    紧靠平面一侧的单位面积上原子数为(1/d)2,d为相邻原子之间的最小距离,则上述原子共同沿一个方向(本征波长l增大的方向)越过平面的单位面积而输送的能量为α·e·9/13·n·(1/d)2;

    平面另一侧的在单位时间内沿着负x的方向越过单位面积而输送的能量为-α·(e+de/dx·d)·9/13·n·(1/d)2;

    由此,总的能流为方程9:

    -α·de/dx·9/13·n·1/d

    将[d=(υ/N)1/3],并利用每克原子(即每摩尔)物质在温度T下的热含量W,方程9变为方程9a:

    -α·9/13·n·υ-1/3·N-2/3·dW/dT·dT/dx

    由此,导热系数 k为方程9a1:

    k=α·9/13·n·υ-1/3·N-2/3·dW/dT

    在材料服从经典的杜隆-珀蒂定律的温度范围内,热含量W满足关系式方程9a1a:

    dW/dT=3R/热功当量=3·8.3·107/(4.2·107)≈6

    将其带入方程9a1即得方程9a2:

    k=α·4N-2/3·n·υ-1/3

    对于KCl来说,根据能斯特的数据,其本征频率n为3.5×1012,将KCl相关实验数据带入方程9a2可得KCl的导热系数为方程9a2a:

    k=α·4·(6.3·1023)-2/3·3.5·1012·(74.4/2.2)-1/3=α·0.0007

    可惜的是上述方程9a2a给出的最终结果和常温下测得得KCl的导热系数 k=0.016差距较大,而且方程9a2说明在杜隆-珀蒂定律的适用范围内,导热系数 k与温度无关,但实验结果却说明导热系数与温度为反比关系,因此,上述的推导过程在相关环节存在关键漏洞:

    “于是,热导率比根据我们的论证所应预期的大得多。但这还不是全部。按照我们的公式, k在杜隆-珀蒂定律的适用范围内应该和温度无关。然而,按照欧肯(Eu)的结果,结晶非导体的实际性能是完全不同的, k近似地按1/T而变。

    我们由此必须作出结论说,力学没能力解释非导体的热导率(注:这篇论文的努力方向)。还必须加一句,能量的量子化分布假设在欧肯结果的解释方面也不能作出任何贡献(注:量子论对此目前也无能为力)。”

    为了寻找热导率 k近似地按1/T而变的原因,爱因斯坦又祭出了量纲论证的绝技,看看是哪个影响因素会导致如此结果。

    首先,对于单原子固体绝缘体来说,爱因斯坦认为其以自然单位计的热导率 knat依赖于四个变量:

    d(相邻原子之间的距离,量纲为ι),

    一个原子的质量,量纲为,

    n(原子的频率,量纲为t-1),

    τ(温度的量度,量纲为ι2t-2)

    其量纲表达式为方程10:

    knat=C·d-1·n1·j·(d2n2/τ1)

    方程10的关键因素是函数j,按力学模型其为常量,而按照欧肯(Eu)的实验结果,其正比于自己的宗量(可以理解为广义的自变量),以满足热导率 knat反比于绝对温度:

    “式中C又是一个数量级为1的常数,而j是一个事先为任意的函数,然而按照力学模型,它必须是一个常量,如果假设了原子间的弹性力的