低温量热原理及在材料研究中的应用（一）

    热力学是研究热现象中能量转换规律的科学,它是迄今为止人类进行自然科学与工程技术研究所必须遵循的最重要基础学科之一, 在化学、化工、物理、能源、材料、冶金、生物等众多研究领域发挥着不可替代的指导性作用。

       比热是物质最重要的基础热力学性质. 通过比热测量与研究, 不仅能够获取物质熵、焓和吉布斯自由能等基础热力学函数, 还可以用于研究和理解晶格振动、金属、超导、电子及原子核磁性、稀释磁系统、结构相变等具有重要理论与应用研究价值的科学问题。

1.什么是比热

热力学含义：比热是指单位质量物质每升高1℃所吸收的热量, 单位为J K1 g1; 又称热容, 即单位摩尔物质每升高1℃所吸收的热量, 单位为J K1 mol1. 比热分为等压比热(Cp)和等容比热(Cv)，一般低温量热实验测量的是Cp, 而Cv可以通过Cp求得。

物理含义：比热不仅是物质最基础的热力学性质, 还可以将其与物质体系微观行为进行关联. 从物理含义上讲, 比热可表述为分子内部不同原子相互作用的总和, 并且不同原子相互作用可表现出不同比热行为。就固体物质而言, 比热可归结为与物质微观结构变化能量相关的晶格、电子及磁性等物理性质的总和，且这些物理性质可用以温度为变量的理论模型进行表述. 因此, 通过理论模型对比热测量值进行数据拟合, 就可将不同物理性质的比热贡献提取出来,从而为理解和阐述这些物理性质与微观结构的关联提供重要实验依据。

固体物质经典晶格比热理论模型为爱因斯坦和德拜方程.与晶格比热相比, 电子及磁性等比热贡献在较高温度非常小而可被忽略. 但是当温度较低时(一般小于20 K), 晶格比热逐渐减小并在0 K时降为0, 其比热贡献大小与其他贡献相当, 从而可通过理论模型对实验数据拟合将比热的各种贡献提取出来.磁性比热贡献理论模型因磁相互作用的不同而有不同表述。

     综上, 由低温量热实验得到的总比热可表述为以上各种比热贡献的总和, 即

     然后, 利用以上各种模型对实验数据拟合即可将比热各种贡献提取出来, 从而为研究材料的物理性质提供重要的参考。

低温比热的测量方法，将在下一节给大家带来。