Thermoelastische Kennzahlen von Gläsern und Metallen

Abstract

Die interessanteste der thermoelastischen Kennzahlen ist die Grüneisen-Zahl, die im Idealfall konstant ist und deshalb geeignet erscheint, bei der Entwicklung ungewöhnlicher Gläser bestimmte Eigenschaften, wie Wärmedehnung, spezifische Wärme und Elastizitätsmodul, abzuschätzen. Abweichungen von der Konstanz geben Hinweise auf die Glasstruktur. Um die Zusammenhänge zu verdeutlichen, wurde in Weiterführung früherer Arbeiten [1 und 2] von vier Silicatgläsern die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit bei hoher Frequenz gemessen (2 MHz). Damit waren Relaxationserscheinungen auszuschließen. Ferner wurden Dichte, spezifische Wärme und Wärmedehnung bestimmt. Dieselben Messungen wurden an Gold und Blei durchgeführt, die wegen ihrer kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur allgemein als isotrop angesehen werden. Aus den Meßwerten wurden Grüneisen-Zahl und Kirchhoff-Zahl sowie die thermische und elastische Debye-Temperatur berechnet und miteinander verglichen. Es ergab sich, daß die Grüneisen-Zahl linear von der Kirchhoff-Zahl abhängt in Übereinstimmung mit der Elastizitätstheorie nach Duhem [3 und 4], jedoch mit anderen Konstanten, als Druyvesteyn [5] sie fand für mehrwertige kubische Metalle. Die thermische Debye-Temperatur der Gläser ist größer als die elastische. Auf die praktische Bedeutung der Ergebnisse wird hingewiesen. Thermoelastic parameters of glasses and metals The most interesting of thermoelastic characteristics is the Grüneisen parameter which, ideally, would be constant and thus be useful to evaluate specific properties such as thermal expansion, specific heat and elastic modulus in developing unusual glasses. Deviations from the constant value give insights into glass structure. To elucidate the relations work reported in earher publications [1 and 2] has been extended to measure the longitudinal and transverse phonon velocity at high frequency (2 MHz) in four silicate glasses. By these means relaxation phenomena could be separated out. The density, specific heat and thermal expansion were also determined. The same measurements were also made on gold and lead which, because of their face centred cubic crystal structure may generally be considered Isotropic. The data were used to calculate the Grüneisen and Kirchoff numbers as well as the thermal and elastic Debye temperatures and the values then compared with each other. It was found that the Grüneisen parameter was linearly dependent on the Kirchhoff number in accordance with the Duhem elasticity theory [3 and 4], however with different values as Druyvesteyn [5] found for multivalent cubic metals. The thermal Debye temperature is higher for glasses than the elastic one. The practical significance of the results is considered. Caractéristiques thermoélastiques des verres et des métaux La plus intéressante des caractéristiques thermoélastiques est la constante de Grüneisen qui ne varie pas dans le cas idéal et qui paraît appropriée pour évaluer lors de la mise au point de verres peu courants, des propriétés comme la dilatation thermique, la chaleur massique et le module élastique. Des écarts par rapport à cette constance donnent des indications sur la structure du verre. Pour faire apparaître plus nettement les relations, on a complété des études antérieures [1 et 2] en mesurant sur quatre verres silicatés la vitesse de propagation longitudinale et transversale du son à haute fréquence (2 MHz), ce qui a permis d'éliminer les phénomènes de relaxation. En outre on a déterminé la densité, la chaleur spécifique et la dilatation thermique. Ces mêmes mesures ont été effectuées sur l'or et le plomb qui peuvent à faces centrées. A partir des mesures, on a calculé la constante de Grüneisen celle de Kichhoff et la température de Debye thermique et Grüneisen varie linéairement avec celle de Kirchhoff en accord avec la théorie de l'élasticité de Duhen [3 et 4], mais avec d'autres constantes que celles que Druyvesteyn [5] a trouvées pour les métaux cubiques à valence multiple. La température de Debye thermique est plus élevée que celle élastique. On fait remarquer la signification pratique de ces résultats.