材料热力学
材料热力学(三大定律)要点
说明任意可逆过程的热 温商的值决定于始终状态，
而与可逆途径无关，这个热
温商具有状态函数的性质。 任意可逆过程
Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与可逆 过程无关这一事实定义了“熵”（entropy）这个函数，用符 号“S”表示，单位为： J K 1
设始、终态A，B的熵分别为 SA 和 SB，则：
1.0 mol R ln 2 5.76 J K 1
非等温过程中熵的变化值
1、 物质的量一定的可逆等容、变温过程
S
T2
nCV ,m dT T
T1
2、 物质的量一定的可逆等压、变温过程
S
T2
nC p ,m dT T
T1
热力学第二定律的本质和熵的统计意义
热力学第二定律的本质
则有
Q Q <0 T T i I, AB i R, B A
Q S A SB T i R, B A
Q SB SA T i I, AB
或
B Q SAB 0 A T I
解法1
22.4 V2 S (O 2 ) nR ln 0.5R ln V1 12.2
0.5 mol 0.5 mol O 2 (g) N 2 (g)
22.4 S (N 2 ) 0.5 R ln 12.2
22.4 nR ln 2 > 0 mix S S (O2 ) S (N2 ) nR ln 12.2
SAB
B Q T A I
如AB为可逆过程
Q S A B T i R,A B
S是状态函数，在确定的始、终态间，ΔS为定值，与过程是否 可逆无关。但过程的热温商之和与过程是否可逆有关。若可逆则过程 的热温商之和等于ΔS；若过程不可逆则过程的热温商之和小于ΔS。
热力学第二定律(材料)
Q1 Q 2 + =0 T1 T2
所以任意可逆循环的热温商的总和等于零。 所以任意可逆循环的热温商的总和等于零。即，
∫
δQ r
T
= 0
§2.3 熵的概念
根据任意可逆循环热温商的公式：
∫( T
B
δQ
)R = 0
可分成两项的加和：
A δQ δQ ∫A ( T ) R1 + ∫B ( T ) R 2 = 0
解决过程的 方向和限度
{
1。寻找自然界自发过程方向性的共同因素 。 2。热功转化的方向性所决定（第二定律） 。热功转化的方向性所决定（第二定律） 3。从热功转化的关系（热机）中寻找决 。从热功转化的关系（热机） 定过程方向的状态函数X 定过程方向的状态函数
热机：系统经过一个循环， 热机：系统经过一个循环，从环境中吸取热并将 其转化为功；反之，即为制冷机。 其转化为功；反之，即为制冷机。
自发变化的共同特征 —— 不可逆性
§ 2.2 热力学第二定律
克劳修斯（ 克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低 ）的说法： 温物体传到高温物体，而不引起其它变化。 温物体传到高温物体，而不引起其它变化。” 开尔文（ 开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取 ）的说法： 出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。 出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。” 奥斯特瓦德( 奥斯特瓦德(Ostward)表述：“第二类永动机是不可 )表述： 能造成的” 能造成的”。 （第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而 第二类永动机： 不留下任何影响。） 不留下任何影响。）
例如1气缸中理想气体作等温膨胀时， 例如1气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温 热源吸收的热量就可以全部用来对外做功（ 热源吸收的热量就可以全部用来对外做功（即从单 一热源吸热作功），但气体 发生了变化！ 一热源吸热作功），但气体p、V发生了变化！ ），
材料热力学_热力学基本原理
• • 恒容热容：在不发生相变与化学变化、恒容、不做非 体积功的情况下体系每升高1度体系所需吸收的热量:
dQ U Cv dT V T V
•
• •
在不发生相变与化学变化的情况下，温度由T1升高至 T2所引起的内能变化为：
U Cv dT
T1
• •
•
与内能和焓一样，Gibbs自由能与Helmholtz自由能也没有绝对值 Gibbs自由能与Helmholtz自由能的变化可以由焓变、熵变、内能的 变化求出来 对于等温反应： G H TS
F U TS G H S T T F U S T T
材料热力学什么是材料热力学材料热力学是热力学基本原理在材料设计制备与使用过程中的应用包括相平衡相图热力学相变热力学等相图反映的是物质的存在状态而热力学反映的是物质所包含的能量而能量是物质状态变化的起因与因此相图与热力学有非常密切的关系目前材料热力学主要内容是相图或相平衡热力学本课程包括热力学基本原理回顾热力学在冶金材料过程中的应用相平衡热力学与相图计算相图与合金设计热力学基本原理回顾平衡状态
热力学第二定律及其相关基本概念
• 化学反应过程中生成物的熵的总和减去反应物 熵的总和即化学反应的熵变。 • 在不做非体积功的情况下，对于可逆过程有：
材料热力学
材料热力学
材料热力学是研究材料受到热能的影响时热力学特性的一类分
支学科。
它研究材料在温度变化和温度变化环境中的力学特性和热工特性变化，研究各种材料对热影响的热膨胀、强度减弱、热塑性以及尺寸稳定性方面的表现，及材料材料的剩余应力等这两个方面的相互联系。
材料热力学的研究可以帮助我们更好地理解材料的力学性能，从而更加有效地应用到材料设计实践中。
材料热力学的研究对材料设计非常重要，材料热力学研究有助于我们更加准确地预测材料在非常恶劣的热环境中（如火焰、高温、低温）的表现，及材料改性、材料强度提升以及材料耐久性提升等方面。
材料热力学是在热力学基础上发展起来的一门学科，其研究方法也有很多，比如说，热扩散理论、能量流动理论、量子力学模拟、温度梯度分析等。
在这些研究方法的基础上，可以进一步研究材料在温度变化和恶劣环境下表现出来的力学特性、热工性能变化等性能特性，并有助于我们更加精确地预测和利用材料。
材料热力学的应用也非常广泛，比如火灾设计、航空航天材料的设计、石油、化工等冶金类行业、船舶能源利用等都离不开材料热力学。
另外，在节能减排方面也有着巨大的应用，例如热收缩缝，可以有效避免热能的流失，从而节约能源，减少环境污染。
综上所述，材料热力学在材料设计实践中有着非常重要的作用，我们不仅要深入地研究它的理论，还要根据它的不同应用领域，制定适用于特定环境下的理论，进而提高材料的性能，满足不断发展的社
会需求。
虽然材料热力学发展至今，已经经历了几个世纪，但它还有很多有趣的内容可以深入研究，并演变出许多新的应用领域。
材料科学中的热力学原理
材料科学中的热力学原理热力学是研究热与能的关系，以及物质在热与能的作用下发生的变化的一门学科。
热力学原理在材料科学中具有非常重要的作用，可以帮助我们更好地理解材料的性质与行为。
1. 热力学基础热力学的基本概念包括状态、过程、热量、功、内能、焓等。
状态是指物质所处的各种热力学参数的集合，如温度、压力、体积等；过程是指物质从一种状态到另一种状态的变化；热量是指物质与其周围环境之间的热传递；功是指物质与其周围环境之间的功传递；内能是指物质所具有的分子内部的能量；焓是指物质所具有的分子内部能量和与周围环境交换的能量之和。
在材料科学中，我们常常需要研究材料的热力学性质，如材料的热容、热传导性能、相变等。
这些性质的研究需要基于热力学原理的基础。
2. 材料热力学性质材料的热力学性质包括热容、热扩散系数、热传导率、膨胀系数、相变等。
这些性质对于材料的应用具有非常重要的影响。
热容是指材料单位质量（或单位体积）的温度变化所吸收的热量。
它反映了材料存储热量的能力。
对于大多数材料来说，随着温度的升高，热容也会逐渐增大。
热扩散系数是指材料中热量传递速度的快慢。
它受到材料的结构和温度等因素的影响。
对于热敏材料来说，热扩散系数通常较低。
热传导率是指单位时间内单位面积的热量传递。
它同样受到材料的结构和温度等因素的影响。
对于金属等导热性能较好的材料来说，热传导率通常较高。
膨胀系数是指材料的体积在温度变化时相应的变化量。
通常情况下，随着温度的升高，材料的膨胀系数也会逐渐增大。
相变是指材料在一定条件下由一个相变为另一个相的过程。
对于材料科学来说，相变是一个非常重要的研究方向。
相变的研究可以帮助我们了解材料的结构和性质，从而更好地控制和改进材料的性能。
3. 应用举例热力学原理在材料科学中具有广泛的应用，下面以热处理和相变为例进行说明。
热处理是指对材料进行加热或降温的过程，以改变材料的结构和性质。
热处理技术在材料科学中具有非常重要的应用，可以用来改变材料的硬度、塑性、耐磨性等性质。
材料热力学【精品课件】
3.2 自由能和温度的关系6
过冷度
△T=(Te－T) 过冷度不大
△H(Te)与 △H(T)相差不 大(Cp改变很 小)
近似
GT H T TS
S
T
Te T
dH T
T Te
dH Te
H Te
m
G
T
H
T
T
T
是增加，直至平衡态
dS Qrev / T dS Q / T
2.2 熵的统计概念
熵作为体系“混乱程度”的量度
统计力学假设体系的平衡态只是各种可能 微观态中的最可几态。
S 玻耳兹曼公式（熵的一般表达式） k ln
表达体系的熵值和它内部粒子混乱度Ω之间 的定量关系。在一定的总能量U、体积V和 粒子数n时，体系的混乱度越大，熵值越大。 当呈最可几态（ Ω最大 ），熵值最大，即 体系的平衡态。
1.4 标准态
标准态： 1个大气压，研究温度下的稳定状态。 SGTE(Scientific Group Thermodata Europe) 组织使用SER（stable element reference） 标准态，规定在1×105 Pa 的压力下 ， 298.15K时元素的稳定结构为标准态。
第二章 热力学第二定律和第三定律
dA
Fdx W
W F l l dx F l dA dA
F dyn / cm
可逆过程
l
du Q W
Q TdS
du TdS dA
W dA
G H TS
材料基础-第七章热力学及其相图x
（a＋β )片状共晶 400 × 图7－9 Pb-Sn 二元合金的共晶显微组织 图中黑色为Pb的 a相，白色为Sn的β相 , a 相、β相呈片层状相间分布，称片层状共晶。
3）合金III的结晶过程（wsn＝50％） 合金III的成分在M、E点之间，称为亚共晶 合金。图7-10为其冷却曲线及组织变化。 当缓冷到 1 点时，结晶出一次晶 a 相，温度 在1、2点之间为匀晶反应。温度降到2点共晶温 度tE时，液相L具有共晶成分E，发生共晶反应。 共晶反应后的组织为a+(a＋β)共晶。 随温度下降，a相成分沿MF线改变，此时匀 晶和共晶中的a相都要析出βII，室温组织为 a+(a ＋β)共晶＋β II ，显微组织见图7－11。 图中黑色粗大树枝状组织为一次晶a相，粗 黑色间的白色颗粒状组织为二次晶 βII ，其余黑 白相间部分为共晶组织(a＋β)共晶。
(7－1) 式表示，自由度越小，平衡共存相就 越大。 自由度f 为零时，(7－1)式变为： P＝C＋2 （7－2）
再压力给定去掉一个自由度,(7－2)式变为 :
P＝C＋1
（7－3）
表明系统中平衡相数最多比组元数多一个
一元系：C＝1,P＝2，最多二相平衡共存。
例如，纯Fe结晶时，同时存在的平衡共存相 仅为液相和固相。
7.2 相图建立的基本方法
1.相图 相图是用图解方法描述在平衡条件下相的 状态和转变与成分、温度、压力的相互关系。 相图有二元相图、三元相图和多元相图。 二元相图是相图的基础，应用最广泛。通 过相图分析，可以了解： (1)不同条件下材料的相转变及相平衡的状态; (2)预测材料的性能; (3)为新材料研制提供依据。
共晶反应完成后，在温度下降过程中，a 固溶体和 β 固溶体分别沿 MF 线和 NG 线不断变化， 合金II从a相中析出二次晶βII，从β相中析出二 次晶aII，可用杠杆定律计算。 由于aII和βII量小，在组织中不易分辨，一 般不予区别。 所以，合金II在结晶过程中的反应为共晶 反应＋二次析出，其室温组织为(a＋β)共晶， 其形态见图7－9。
热力学知识：热力学在材料学中的应用
热力学知识：热力学在材料学中的应用热力学是一门研究能量转化和传递的学科，并且在物质的特性和行为方面有着广泛的应用。
在材料科学领域，热力学可以被用来解释材料的热性能、相变行为和稳定性，为材料的设计和优化提供基础和指导。
本文将探讨热力学在材料科学中的应用，重点介绍在材料热性能、相变行为和稳定性方面的研究和应用，以及热力学在材料设计和工程中的作用。
一、热力学在材料热性能方面的应用热力学在材料热性能方面的应用主要包括热容、热导率、热膨胀系数等物理性质的研究和预测。
通过热力学原理，可以对材料的热性能进行分析和预测，为材料的选用和应用提供依据。
1.热容在材料科学中，热容是材料的重要物理性质之一。
热容表示单位质量的材料在温度变化时吸收或释放的热量。
热力学原理可以用来解释材料的热容特性，并且可以通过热力学模型和实验数据来预测材料的热容值。
热容的研究为材料在热工艺和热力学性能方面的应用提供了理论基础。
2.热导率热导率是材料在热传导过程中的性能参数，也是材料的重要热性能指标之一。
热力学原理可以用来理解和预测材料的热导率，从而指导材料的选择和应用。
通过热力学的研究，可以优化材料的热导率，提高材料的热传导性能。
3.热膨胀系数材料的热膨胀系数是材料在温度变化时长度、体积等尺寸参数的变化率。
热力学原理可以用来解释材料的热膨胀特性，并且可以通过热力学模型和实验数据来预测材料的热膨胀系数。
热膨胀系数的研究为材料在温度变化环境下的应用提供了重要参考。
二、热力学在材料相变行为方面的应用在材料科学领域，相变行为是材料特性和性能的重要研究对象。
热力学可以被用来解释材料的相变行为，包括固液相变、固固相变、固气相变等，为材料相变行为的预测和控制提供理论和方法支持。
1.固液相变固液相变是材料在温度变化时从固态向液态转变的过程。
热力学可以用来解释材料的固液相变行为，包括相变温度、相变焓等热力学参数的计算和预测。
固液相变的研究为材料在热处理和加工过程中的相变行为提供了理论依据。
材料热力学知识点
第一章单组元材料热力学名词解释：1 可逆过程2 Gibbs自由能最小判据3 空位激活能4 自发磁化：5 熵：6 热力学第一定律热力学第二定律7 Richard定律填空题1 热力学第二定律指出：一个孤立系统总是由熵低的状态向熵高的状态变化，平衡状态则是具有最大熵的状态。
2 按Boltzmann方程，熵S与微观状态数W的关系式为S=klnW3 热容的定义是系统升高1K时所吸收的热量，它的条件是物质被加热时不发生相变和化学反应4 α-Fe的定压热容包括：振动热容、电子热容和磁性热容。
5 纯Fe的A3的加热相变会导致体积缩小6 Gibbs-Helmholtz方程表达式是7 铁磁性物质的原子磁矩因交换作用而排列成平行状态以降低能量的行为被称为自发磁化论述题1 根据材料热力学原理解释为什么大多数纯金属加热产生固态相变时会产生体积膨胀的效应？2 试根据单元材料的两相平衡原理推导克拉伯龙（Clapeyron）方程。
3 试用G-T图的图解法说明纯铁中的A3点相变是异常相变。
4 试画出磁有序度、磁性转变热容及磁性转变（指铁磁-顺磁转变）自由能与温度的关系曲线。
计算题1已知纯钛α/β的平衡相变温度为882O C，相变焓为4142J•mol-1，试求将β-Ti过冷到800O C时，β→α的相变驱动力2若某金属形成空位的激活能为58.2KJ•mol-1，试求在700O C下，该金属的空位浓度。
3纯Bi在0.1MPa压力下的熔点为544K。
增加压力时，其熔点以3.55/10000K•MPa-1的速率下降。
另外已知融化潜热为52.7J•g-1，试求熔点下液、固两相的摩尔体积差。
（Bi的原子量为209g•mol-1.第二章二组元相名词解释：溶体：以原子或分子作为基本单元的粒子混合系统所形成的结构相同，性质均匀的相理想溶体：在宏观上，如果组元原子（分子）混合在一起后，既没有热效应也没有体积效应时所形成的溶体。
混合物：由结构不同的相或结构相同而成分不同的相构成的体系 化合物：两种或两种以上原子组成的具有特定结构的新相 溶解度：溶体相在与第二相平衡时的溶体成分（浓度），固溶体在与第二相平衡时的溶解度也成为固溶度。
材料热力学资料
在液态纯金属中进行均质形核时,需要结构起伏和能量起伏.液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中表面自由能是形核的阻力,体积自由能是形核的动力;临界晶核半径rK与过冷度vT 关系为2,临界形核功vGK 等于动态过冷度是指晶核长大时固液界面的过冷度.在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径减小,金属结晶冷却速度越快,N/G比值越大,晶粒越细小获得非晶合金的基本方法是快速冷却.柱状晶和等轴晶:金属晶体结晶过程中沿着散热方向优先生长形成的长条形晶粒称为柱状晶,而如果晶粒长大时没有择优方向,向各个方向长大速度基本相等所得到的晶粒称为等轴晶.形核功:金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量.金属玻璃:指金属从液态凝固后其结构与液态金属相同的固体.试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点及成因.根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程,可以得出通常铸锭组织的特点为外层的细等轴晶,铸锭表面向里有柱状晶,心部为粗大等轴晶.举出凝固理论在金属材料结晶中的几个应用,加以简单说明.铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等.根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径.凝固的基本过程为形核和长大,形核需要能量和结构条件,形核和长大需要过冷度.细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度,加入形核剂,振动或搅拌.根据冷却速度对金属组织的影响,现要获得非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制.要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却,要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过平衡冷却速度.根据冷却速度对金属凝固后组织的影响,现要获得微晶,非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制.冷却速度极大影响金属凝固后的组织.冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化,冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相.简述液态金属结晶时,过冷度与临界晶核半径,形核功及形核率的关系。
液态金属结晶时,均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度vT 关系为 2,临界形核功vGK= 异质形核时固相质点可作为晶核长大, 其临界形核功较小, ,θ为液相与非均匀形核核心的润湿角。
材料热力学
材料热力学
材料热力学是研究物质热力特性的一门科学，它是分析材料的物理和化学性质的一种重要手段，在材料的制备、结构表征、性能分析、性能改善和加工等诸多领域有着重要的应用。
材料热力学可以用来研究材料的热稳定性、开裂或热损伤、热膨胀及热载荷等性能，以及热处理、薄板和复合材料的加工及性能差异等问题。
材料热力学是有关材料热量和温度变化的研究。
它是一个综合性科学，是物理学、化学和工程学等多学科的混合体，它涉及到材料物理、物理化学、化学物理的概念和理论，采用力学、热力学、热物理和统计物理技术来研究材料的热力学性质。
首先，材料热力学是一门综合性学科，它将物理学、化学和工程学等都结合在一起，以研究材料的热力学特性。
其次，材料热力学涉及到许多技术，包括力学、热力学、热物理和统计物理等，它可以运用到材料的热处理、加工和性能改善中。
最后，材料热力学还关系到材料的热稳定性、开裂或热损伤、热膨胀及热载荷等性能研究。
在材料热力学的实际应用中，主要有两个方面：一是对材料热力特性的研究，例如热处理、热损伤及其他物理性能；二是利用材料热力学来研究实际问题，比如研究复合材料的构型及力学性质的变化，应用于航空、船舶建造、石油开采、航天设计、装配工艺等领域。
材料热力学是一门重要科学，它也扮演着重要角色。
它不仅是基础研究方面有重要意义，而且还在应用研究方面也扮演着重要的角色。
通过对材料热力学的研究，可以更好地了解材料的性能，更好地进行
材料工程的实践应用，从而达到更好的生产效率和性能。
非晶态材料的热力学性质和应用
非晶态材料的热力学性质和应用非晶态材料是指不具有规则的晶体结构、而呈现类似于玻璃的无序状态的材料。
这种材料具有相对较高的熔点和硬度，同时又保持了一定的韧性，因此被广泛地应用于许多领域，如制造业、航天航空、光学设备等。
本文将探讨非晶态材料的热力学性质及其应用。
一、非晶态材料的热力学性质1.比热非晶态材料与结晶材料的比热差异明显。
在相同的温度下，非晶态材料的比热要比结晶材料的比热小很多。
这是因为非晶态材料的原子排列更加紧密，使得内部的热运动更加活跃，从而导致更高的热导率。
此外，非晶态材料的比热还与其化学成分、形态等因素有关。
2.热膨胀系数热膨胀系数是指材料在温度变化时，长度或体积的相应变化程度。
非晶态材料的热膨胀系数比结晶材料的要小，这是由于其原子间的结构更加紧密。
因此，非晶态材料在高温的环境下比结晶材料更加稳定。
3.热稳定性非晶态材料通常具有良好的热稳定性。
当温度升高到一定程度时，结晶材料的原子结构会发生变化，但非晶态材料保持其无序状态。
这使得非晶态材料具有更优异的高温性能。
二、非晶态材料的应用1.建筑领域非晶态材料在建筑设计领域展现了广泛的应用前景。
非晶态材料可以用于生产玻璃、透明隔热材料等。
其高阻隔性和稳定的性能使得其成为抵御自然灾害的首选材料。
2.制造业非晶态材料在制造业中应用广泛，可用于制造高性能机械部件和工具。
例如，非晶态合金用作钝化层可以使工具具有更高的硬度和耐磨性，从而大大地延长了其寿命。
3.电子领域非晶态材料在电子领域也有广泛的应用。
非晶态材料的导电性优良，例如非晶态铜合金，在半导体材料中具有优异的导电性能，可用于制造导线、立体电路和传感器等。
4.光学领域非晶态材料在光学领域的应用非常多。
非晶态玻璃可以用于制造高透光率的屏幕和显示器。
此外，非晶态光导纤维在激光器和医疗器械领域也得到了广泛的应用。
总之，非晶态材料具有许多独特的性质和应用价值，这种材料在未来的发展中将会扮演重要的角色。
各向异性材料热力学性能分析
各向异性材料热力学性能分析各向异性材料是指在不同方向上存在不同物理性质的材料。
这些材料的热力学性能分析涉及到其热传导、热膨胀、比热容等方面的特性。
精确的热力学分析可以提供对这些材料在不同条件下的热性能的理解，从而在材料设计和工程应用方面有重要的意义。
热传导性能是各向异性材料在热学方面的一个最基本的参数。
在实际应用中，我们需要考虑该材料是否可以有效地传导热量以便达到最优的热处置效果。
对于固体材料，常见的传热机制是热电子传导和声子传导。
在各向异性材料中，这些机制的传播方向可能不同，从而导致其热传导性能也有所不同。
例如，某些材料在某些方向上的热电子传导速率可能较快，而在另一些方向上的热电子传导速率则会较慢。
因此，对各向异性材料的热传导性能进行分析和实验是十分必要的。
热膨胀性能是表示材料尺寸改变量的一种度量方式。
在不同温度和压力条件下，材料的尺寸变化不同。
对于各向异性材料而言，尺寸变化的方向也不同。
例如，晶体结构对称性不同的晶体在热膨胀方面会表现出不同的特征。
研究各向异性材料的热膨胀性能，可以帮助我们更好地理解材料在高温、高压和低温必要条件下的变形。
比热容是一个物质对温度变化的敏感指数。
对各向异性材料而言，其比热容在不同方向上也会有所不同。
例如，具有棱柱形的单晶体，在不同方向上比热容的大小也可能不同。
因此，对各向异性材料的比热容进行测量和分析可以帮助我们理解材料的热响应特性，并为材料在高温或低温环境下的应用提供依据。
在实际应用中，各向异性材料的热传导、热膨胀和比热容等参数都需要进行详细的分析。
这种分析可以通过实验和数值模拟来进行，从而实现对材料的性能和特性的了解。
同时，也可以通过热学性质的分析来理解材料制备中的问题和热力学与机械性能之间的关系，为材料的设计和开发提供重要依据。
总之，各向异性材料的热学性质分析是材料科学领域中的一个重要研究领域。
通过深入地理解和分析各向异性材料的热学性质，可以为材料的开发和应用提供重要的支持。
材料热力学的概念和特点
材料热力学的概念和特点材料热力学是研究物质在不同温度、压力和组分条件下热平衡状态以及与热力学性质相关联的科学分支。
它是研究材料在宏观层面上的热性质、热变化规律和热力学性能的基础，也是研究材料热力学行为的重要工具。
材料热力学的概念：1. 热平衡状态：热平衡状态是指物质达到平衡状态后，各部分温度相等，并保持恒定。
这是一个基本的热力学概念，通过热平衡状态可以研究材料的热性质和热力学性能。
2. 热力学性质：热力学性质是指物质在热运动过程中表现出的性质，包括热容、热导率、热膨胀系数等。
这些性质可以通过热力学实验和计算进行研究，为材料的设计、合成和应用提供理论依据。
3. 热力学变化:材料在不同温度、压力和组分条件下会发生各种热力学变化，如相变、化学反应、溶解等。
研究这些变化规律可以揭示材料的内在机制，优化材料的制备工艺和性能。
材料热力学的特点：1. 宏观描述：材料热力学是宏观热学的基础，它研究的是大量的物质，所以可以用统计手段进行描述和计算。
这种宏观描述有助于理解和预测材料的性质和变化规律。
2. 状态函数：材料热力学研究的是平衡状态下的物质性质，所以它的基本规律是通过状态函数的变化来描述和计算。
状态函数是与热力学状态相关的函数，如内能、焓、熵等。
这些函数的变化可以用来描述材料的能量、热效应和热平衡状态。
3. 热平衡：材料热力学研究的是热平衡状态下的物质性质和变化规律，所以热平衡是材料热力学的基本概念和核心要求。
只有在热平衡状态下，物质才能满足热力学规律和方程式。
4. 热力学定律：材料热力学是建立在热力学定律的基础上的，如零法则、第一定律、第二定律和第三定律。
这些定律为研究材料热力学行为提供了基本原理和数学方程。
5. 应用广泛：材料热力学广泛应用于材料设计、材料合成、材料加工和材料性能研究等领域。
它可以预测材料的相变行为、热力学性质和热力学稳定性，为材料的开发和应用提供了重要的理论指导。
总结起来，材料热力学研究物质在不同温度、压力和组分条件下的热平衡状态以及与热力学性质相关的科学分支。
材料热力学课件-第一章-5
17
如对反应 aA(g)＋b B(g) →yY(g)＋zZ(s) r Hm y(298.15K) =
yf Hm y(Y, g,298.15K) ＋zf H m y(Z, s,298.15K) －af H m y(A, g,298.15K) －bfHm y(B,g,298.15K)
21
标准状态下的H2O(l)，CO2(g)为完全燃烧 产物，不再燃烧，其标准摩尔燃烧焓在任何温度 T 时均为零。O2（g）不燃烧。 f H m y （CO2，g ,T ） = c H m y （C，石墨,T ）
c H m y （CO2，g ,T ） = f H m y （C，石墨,T ） =0
22
+∫
T
298
[
-18.54
+
7.73×10-3
（T/K）+
K
12.89×105（T/K）-2]×10-3 kJ·K-1·mol-1 dT
积分并解出 ΔrHm(1273K)=168.63kJ·mol-1
31
二、绝热反应—最高反应温度的计算
例1-18：100kPa、298K时把甲烷与理论量的空 气[φ(O2):φ(N2)=1∶4] 混合后，在等压下绝热燃 烧，求系统所能达到的最高火焰温度是多少？已 知
- 4.52×105 -8.53×105 Δc´= 12.89×105
ΣνBCp,m(B)= -18.54 + 7.73×10-3 (T/K)+ 12.89×105(T/K)-2
30
r Hm (T2 ) r Hm (T1)
cu-ni-sn三元系相平衡的热力学计算
我们来探讨一下cu-ni-sn三元系相平衡的热力学计算。
在研究材料科学和工程领域，三元相图是一种非常重要的工具，它可以帮助我们理解各种材料之间的相互作用、相平衡以及相变规律。
cu-ni-sn三元系作为一种重要的合金材料，其相平衡对于材料的性能和应用具有重要意义。
在进行热力学计算时，我们需要考虑各种相之间的平衡条件。
对于cu-ni-sn三元系而言，我们需要考虑铜（cu）、镍（ni）和锡（sn）这三种元素在不同温度和成分下形成的各种相，比如固溶体、间金属化合物等。
我们可以利用热力学原理和计算方法来确定各个相之间的平衡条件、相图以及相变温度等重要信息。
在进行热力学计算时，我们通常会采用热力学数据库中的实验数据，比如相平衡相图、热力学参数等。
也可以利用热力学软件进行模拟和计算，比如Thermo-Calc、Pandat等。
通过这些工具，我们可以快速准确地进行cu-ni-sn三元系相平衡的热力学计算，并得到相应的结果。
另外，我们也需要考虑cu-ni-sn三元系合金材料的实际应用。
比如在材料制备过程中，我们需要根据相平衡信息来选择合适的工艺参数，以获得所需的材料组织和性能。
在材料设计和性能优化过程中，相平衡信息也可以帮助我们预测材料的稳定性、相变行为以及高温性能等重要参数。
cu-ni-sn三元系相平衡的热力学计算是一项复杂而又重要的工作。
通过深入研究和计算，我们可以更好地理解cu-ni-sn合金材料的相互作用规律和性能特点，为材料设计和工程应用提供重要参考。
希望通过本文的讨论，您对cu-ni-sn三元系相平衡的热力学计算有了更深入的了解。
个人观点上，我认为热力学计算是材料科学和工程领域不可或缺的重要工具之一。
通过热力学计算，我们可以深入研究材料的结构与性能之间的关系，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
相信随着科学技术的不断发展，热力学计算在材料领域的应用会越来越广泛，为材料创新和发展注入新的活力。
希望通过本文的撰写，能够为您带来对cu-ni-sn三元系相平衡热力学计算的全面、深刻和灵活的理解。
材料热力学课件
不可逆过程与可逆过程
不可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化不能通过无穷小的改变而互相抵消，则称该过程为不可逆过程。不可 逆过程总是伴随着能量的耗散和熵的增加。
可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化可以通过无穷小的改变而互相抵消，使得系统能够沿着相反的方向进 行并恢复原状，则称该过程为可逆过程。可逆过程是理想化的过程，实际中很难实现。
热力学第一定律表达式
ΔU=Q-W，其中ΔU为系统内能的变 化，Q为系统吸收的热量，W为系统 对外所做的功。
热力学第二定律
热力学第二定律的表述
不可能从单一热源取热，使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；或不可 能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
熵增原理
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
高温超导材料的相变与热力学性质
01
研究高温超导材料在不同温度、压力下的相变行为，以及相变
过程中的热力学性质变化。
热力学模型与计算
02
建立适用于高温超导材料的热力学模型，通过计算预测材料的
热力学性质和行为。
热稳定性与热力学性能优化
03
研究高温超导材料的热稳定性，探索提高材料热力学性能的途
径和方法。
纳米材料热力学
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THANKS
热力学模拟计算方法
分子动力学模拟
通过计算机模拟原子或分子的运 动过程，研究材料的热力学性质
和相变行为。
蒙特卡罗模拟
利用随机数进行抽样计算，模拟 材料的热力学过程和相变现象。
第一性原理计算
基于量子力学理论，通过计算材 料的电子结构和能量状态，预测
材料的热力学性质。
06
含能材料的燃烧工作原理与热力学分析
含能材料的燃烧工作原理与热力学分析含能材料（Explosive）是指在适当的条件下能够快速分解、放出大量能量的物质。
其燃烧过程涉及热力学和动力学两个方面，本文将分析含能材料的工作原理以及与之相关的热力学性质。
一、含能材料的燃烧工作原理含能材料的燃烧是指其分解反应过程中释放出大量的热能，通常伴随着火焰、爆炸、气体体积急剧增大等现象。
燃烧的工作原理可以通过以下几个关键步骤来描述：1. 起始能量：含能材料在燃烧前需要具备一定的起始能量，可以是焰火、电火花、冲击等外界条件给予的能量。
这一能量的输入将激发材料内部的分子或离子，使其跃迁到高能级态。
2. 过渡态形成：在高能级态下，原子、分子、离子之间开始进行化学反应。
通常，含能材料中的氧化剂和还原剂分子之间会发生碰撞，使反应进行到过渡态。
3. 势能释放：含能材料分子在高能级态时，经历了化学键的断裂和新键的形成，随之释放出大量的化学势能。
这些化学势能以热能的形式散布给周围环境。
4. 其他反应过程：燃烧反应可能伴随其他反应过程，如生成气体、挥发物的释放等。
这些过程进一步增加了燃烧反应的复杂性。
二、热力学分析热力学是研究能量转化和能量流动规律的学科。
对含能材料燃烧过程进行热力学分析可以揭示其能量转化和反应性能。
1. 热力学基础：以爆炸反应为例，爆炸冲击波的产生源于含能材料中的化学能转化为热能，使介质气化扩张形成高温高压气体。
热力学第一定律描述了能量守恒原则，即系统得到的热释放等于材料内部的热能增加以及周围介质的热态增加。
而热力学第二定律则描述了能量转化的方向性，包括熵的变化和能量的流动。
2. 爆炸反应的特征：爆炸反应包含了内能变化、生成物的物质组成变化、体积急剧增大以及压力增加等特征。
通过热力学分析，可以计算爆炸反应的热效应（焓变）、熵变、生成物的热力学性质等。
3. 爆炸热力学参数的计算：爆炸热力学参数包括反应热（ΔH）、熵变（ΔS）和自由能变（ΔG）。
这些参数可以通过实验测定或者理论计算得到。
金属材料的热力学性质研究
金属材料的热力学性质研究热力学是研究热现象与其他物理现象（如力学、电学）关系的一门学科。
热力学中的热力学性质是描述热现象的物理量，如内能、熵、焓等。
热力学性质与物质的组成、结构、状态有关，对于金属材料的研究具有非常重要的意义。
本文将从金属材料的热力学性质入手，深入探讨金属材料的研究现状、前沿、应用以及面临的挑战。
一、金属材料的热力学性质在金属材料中，原子是由价电子在自由状态下组成的。
这些原子之间发生相互作用，所以金属材料的热力学性质与普通分子间力的作用不同。
金属材料的热力学性质包括内能、熵、焓等。
1、内能内能是指一个物体内部所具有的能量，它与物体的温度、压强等因素有关。
在金属材料中，内能是由于金属晶体中原子之间相互作用引起的。
2、熵熵是指系统的混乱程度，通俗地说就是系统的“无序度”。
在金属材料中，熵的大小取决于金属材料中原子的排列方式、种类、数目等。
3、焓焓是一个系统内部所具有的热能和物理势能的总和，也即是系统的内能、压强乘物体体积等的总和。
在金属材料中，焓的大小与物质的状态有关，同时也与原子间相互作用密切相关。
二、金属材料热力学性质的研究现状热力学性质的研究是理论和实验相结合的过程，金属材料的热力学性质研究亦是如此。
理论方面，在计算材料的热力学性质时主要采用第一原理计算和常规理论计算方法。
第一原理方法基于量子力学，通过求解薛定谔方程的数值解，得到电子波函数和能量，进而计算出材料的物理性质。
常规理论计算方法包括分子建模和能量补偿方法，能够快速有效地计算材料的热力学性质。
实验方面，金属材料热力学性质研究较为常见的实验方法包括基于差示扫描量热法的热容测量、热红外测量、热重分析、热膨胀等方法。
这些实验方法可以在不同温度、压强条件下对材料的热力学性质进行精确的测量。
三、金属材料的热力学性质研究现状基于对金属材料热力学性质的研究，可以发现一些关键领域。
1、材料的相变行为材料的相变行为与其热力学性质密切相关，相变规律的研究可以帮助科学家更好地理解材料的性质和行为。
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2012 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:材料热力学学生所在院（系）:理学院应用化学系学生所在学科:学生姓名学号:学生类别:考核结果阅卷人第 1 页（共 5 页）材料热力学在材料研究方面的应用摘要：材料热力学对于材料的预测和使用具有理论指导作用，本文总结了近年来材料热力学在功能材料设计分析方面的应用，并对材料热力学这门学科在材料方面的应用进行了总结。
关键词：材料热力学；材料；应用1.材料热力学概述材料热力学就是把热力学原理和材料联系起来，用热力学的理论解决材料在设计、制造、应用时的相应问题。
材料热力学课程以热力学定律为基础，着重介绍了统计热力学在材料中的应用，如溶液的统计热力学、相图热力学、相变热力学和化学平衡热力学等。
2.计算材料科学与热力学随着科学技术的不断进步，已有的材料越来越不能满足当前甚至可预见的未来的科技发展对于生产、生活中各种器械材料的需要，已有的材料不断被淘汰，人们对材料提出越来越多的要求和希望。
材料逐渐向功能的多样化和性能的优异化发展。
大量的材料量和质的需求使人们不得不摈弃传统材料开发的逐一试探的方法。
带预测性的材料设计理念就这样应运而生了。
随着现当代材料分析与检测仪器精度和灵敏性的提高，人们可以积累大量的材料性能的数据，这为发展新的材料模型或新材料的预测和模拟研究提供了有利条件。
由此产生了以材料热力学理论为基础，计算机技术辅助支撑的计算材料科学。
耿太在他的硕士论文[1]中提到，计算材料科学发展中最活跃的是包含相图热力学和相变动力学计算在内的CALPHAD领域。
在此领域中，热力学模拟优化的过程和实验技术紧密结合，并与材料的成分、足迹和制备过程联系密切。
而目前，材料设计领域的新课题就是连接不同层次材料的成分设计、微观结构、制备工艺来达到从微观结构到宏观性能的整体预测和设计。
在这篇文章中，应用了热力学计算软件，计算了平衡态相图对耐腐蚀合金的耐腐蚀性能，计算了铁铝、铁硼合金的平衡态相图，并与标准的二元相图做了比较分析。
他认为这种计算分析对于合金成分设计制备具有指导意义。
3.材料热力学用于金属材料实际生产生活中应用最广泛的材料是金属材料。
而金属材料中用到最多的又是金属基的复合材料。
通过复合化设计后金属材料可以形成金属基的复合材料。
金属基的复合材料具有更好的机械性能和功能性能，是当前高新技术、环境、能源、通信、汽车、国防及航空航天设备中不可替代的重要材料，并在国民经济和国防建设中有着不可替代的重要作用。
范同祥等人认为，金属熔体的热力学性质历来是材料科学、冶金化学和流体物理学等领域的工作者关注的冶金热力学的核心课题之一[2]。
他们认为，热力学和动力学在研究复合材料界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸控制、金属基复合材料体系设计及复合制备工艺优化等方面有很大的应用价值。
并且，基于组元元素的悟性参数能为金属基复合材料的研究提供理论指导。
但是，金属熔体的结构比较复杂，其热力学和动力学性质带有复杂性，且不同的体系有其特殊性，在这种情况下的热力学和动力学的模型应用就有其局限性和针对性，这样的模型需要发展和完善。
另外，可以把热力学和动力学与第一性原理相结合，从原子尺度进行计算，这样就能在复合材料的研究中扩大热力学和动力学的应用范围。
张瑞丰从理论和实验的角度讨论了互不溶二元固体金属系统亚稳合金的形成规律[3]。
在他的讨论中，用到了Miedema热力学理论。
他们先提出了一个计算二元过渡族金属合金标准生成焓的改进模型，一种计算二元过渡族金属合金生成焓的计算方法和一个揭示Laves 相形成规律的热力学判据。
而后，他们又开发了一种可以计算二元金属系统自由能和多金属界面能的热力学软件。
并借助于第一性原理和分子动力学模拟研究了亚稳合金相形成的规律。
我们知道，Laves相指的是，二元或三元通式为AB2的金属合金系由于两种不同大小的原子配合排列形成的密堆积结构。
这种结构在合金中现在较多的出现在储氢合金当中，我们有理由认为张瑞丰等人的工作有着很重要的实用意义。
4.材料热力学用于纳米材料纳米材料由于其良好的性能广泛应用于化工、生物、医药、冶金、电子和航天航空技术当中。
纳米材料热力学对于研究功能纳米材料和纳米器件有着极其重要的应用价值。
纳米材料含有大量的内界面，具有独特的结构特征，是新一代高性能材料的主导力量。
纳米材料的各种热力学性质均与纳米材料的尺寸和形状有密切关系。
例如，纳米材料的结合能随其尺寸的减小而减小，并且比相应的块状结构要小。
其标准摩尔生成焓，标准摩尔熵和标准吉布斯自由能的变化均随粒径的降低而减小。
黄俊颖等人归纳了纳米材料热力学研究的状[4]。
他们总结了纳米材料的热力学函数，包括热容、熵、焓、吉布斯自由能与纳米材料形貌尺寸的关系，简单介绍了当今纳米材料晶格参数、结合能、内聚能的研究结果并总结了以下结论即“在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低。
在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方形纳米微粒的相应量。
”他们还根据国内外的大量研究成果讨论了纳米晶的界面热力学、热稳定性和溶解热力学，发现纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸，并且不同的材质其变化规律不尽相同。
他们介绍了纳米粒子的相图、反应热力学和吸附热力学，通过大量的材料总结了纳米材料的热力学规律。
他们的工作为纳米材料热力学的发展提供了铺垫。
王路得等人采用了电化学的方法测定纳米材料的热力学函数[5]。
他们以纳米铜为例，首次采用了电化学方法获取了纳米材料的热力学函数。
他们的具体实验是：通过电化学沉积法制备了80nm粒径的铜电极，测定纳米铜与块状铜电极的电势差以获得纳米铜的标准摩尔生成焓、标准摩尔熵和标准摩尔生成吉布斯自由能。
由于纳米铜广泛应用于电极材料、催化材料、电磁材料和导电涂料等领域，并且电化学方法测定纳米材料的热力学函数可解决侧热容方法的缺陷，我们可以认他们的工作具有较强的实用价值。
纳米多晶材料更是具备了传统材料所不具备的优异性能，其比热值高、热膨胀系数大、并且相变特性和相稳定性与同成分的多晶材料差异较大。
人们进行了大量的研究以便找到纳米材料的热力学特性。
高金萍等人的工作[6]就试图解决上述问题。
他们在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米界面热力学特性的基础上，发展了描述整个纳米晶体热力学函数的计算模型，并推导了金属纳米晶的基本热力学函数表达式。
他们由此确定了纳米晶稳定相的形成温度与晶粒尺度之间的关系和可能形成相存在的热力学条件及临界尺寸条件。
他们在制备Co纳米晶体的同时对其进行了退火热处理，对Co纳米晶的相变趋势和相变温度范围做了测试，验证了预测结果。
并通过对Co纳米晶的等压热容的测定，计算了其熵、焓和吉布斯自由能与温度的关系式，验证了他们推出的理论模型的正确性。
他们的工作为研究纳米晶材料显微组织结构、热力学表征参量、相变行为等的关系提供了依据。
5.材料热力学用于其他材料介电弹性体（Dielectric elastomer简称DES）是一种智能材料，它属于电激活聚合物，可以产生大的应变。
它的简单的工作原理就是介电弹性驱动器即把电能直接转化成机械能。
由于它具有轻质量、高弹性能量密度的特点，在90年代后期有广泛的应用研究。
冷劲松等人研究了硅橡胶介电弹性复合体材料的热力学性质[7]。
他们的研究结果表明，当这种复合材料电致伸缩系数减小，或材料常数比减小，或温度增加等条件发生变化使得介电弹性体临界名义电场增加时，会使得热力学系统的稳定性增强。
他们构建了热弹性能、热贡献和电场能的介电弹性复合材料的自由能数学模型，通过计算得到了热力学本构关系，并认为他们的结论对硅橡胶纳米复合材料的设计和制备应用研究有着巨大的帮助。
6.材料热力学用于新能源常规能源的使用破坏了我们的环境资源。
作为传统化石能源的替代，太阳能、风能是完全安全环保的理想能源。
由于环境的限制，风能的潜在普及远不如太阳能，人们已经可以把太阳能板装于房屋顶部，既不占用空间，又能有效利用资源。
提到传统燃料的替代物通常可以联想到氢，其燃烧的产物为水，是绿色无污染的清洁能源。
人们对于这些新能源的产生、存储、使用等环节的设计也要考虑到热力学方面的影响。
Ya-Qi Li等人用有限时间热力学对太阳能热发电使用的两相变材料的存储系统进行了能量分析[8]。
他们对于基于有限时间热力学的太阳能热发电建立了一个数学模型，是用于使用了一个聚光器名字为PCM1和PCM2的两相变材料存储系统的整体总体火用效率。
这个模型考虑了总体火用效率的熔化温度和PCM1、PCM2的热转换单元数量。
这一分析是基于假定PCM是熔点温度固定的热储层的PCM的集总模型和假定空气流动的空气分布式模型来处理的。
结果显示，与单用一个PCM相比两个PCM的总体火用效率能提高19.0~53.8%。
他们对这一情况采用有限时间热力学分析，为太阳能发电的应用提供了理论指导。
Lifang Song等人对储氢材料进行了热力学分析[9]。
作为传统能源如化石燃料的替代，氢常被作为一种无污染的清洁能源被讨论。
然而，安全有效的存储氢是氢能源使用的关键问题，这一问题并未有效解决。
一个重要的方面就是固态存储技术。
一种成功的固态可逆存储材料应该满足高存储能量、合适的热力学性质、可重复使用和快速的吸附及解吸动力学性质。
Lifang Song等人总结了过去几年中复杂的氰化物、硼烷氨、有机金属框架储氢材料的热力学改善。
他们总结道，热力学和动力学是储氢材料评价的重要参数，比如脱氢温度、脱氢反应焓，吸附热等。
应深入研究其中的理论计算，了解不同材料的理论机制从而提高这些储氢材料的热力学性质，并为燃料电池的实际应用设计性能良好的新型材料。
他们认为在对于储氢材料的改进，通过研究常温常压下合适的热力学和快速反应的动力学，并降低成本，是今后工作的重点。
7.总结我发现材料热力学广泛应用于各种材料的研究中，不仅仅是上面提到的几种材料，从传统材料到新材料，我们讨论或研究材料的性质总要用到热力学的方法，通过研究材料在不同环境中的熵变、焓变、吉布斯自由能的变化来确定材料的性质是不是我们想要的，是不是满足材料设计之初我们对它的期望。
参考文献：[1].耿太.材料热力学计算及其在合金制备中的应用[D].天津：河北工业大学，2005.1-15.[2].范同祥，张从发，张荻.金属基复合材料的热力学与动力学研究进展[J].中国材料进展，2010,29（4）：23-28.[3].张瑞丰.合金相形成的热力学、分子动力学模拟及离子束混合研究[D].北京：清华大学,2005.1-63.[4].黄俊颖，黄在银，米艳.纳米材料热力学的研究现状及展望[J].化学进展，2010,22（6）：1058-1067.[5].王路得，黄在银，范高超.电化学方法测定纳米材料的热力学函数[J].中国科学：化学，2012,42（1）：47-51.[6].高金萍.金属纳米晶材料的制备、热力学特性及相稳定性的研究[D].北京：北京工业大学.2005.1-23.[7].冷劲松，张震，刘立武.介电弹性体复合材料的热了学和热机电稳定性[J].中国科学：物理学力学天文学，2012,42（1）：61-77.[8].Ya-Qi Li，Ya-Ling He，Zhi-Feng Wang. Exergy analysis of two phase change materials storage system for solar thermal power with finite-time thermodynamics [J].Renewable Energy，2012,39：447-454.[9].Lifang Song，Shuang Wang，Chengli Jiao.Thermodynamics study of hydrogen storage materials [J]. J. Chem. Thermodynamics，2012,46：86-93.。