第5章 材料的热学性质
材料的热学性能
材料的热学性能
材料的热学性能是指材料在热学方面的性质和特性，包括热传导、热膨胀、比
热容等。
这些性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。
下面将分别介绍材料的热传导、热膨胀和比热容这三个方面的性能。
首先，热传导是材料的一个重要热学性能。
热传导是指材料内部热量传递的能力。
热传导系数是衡量材料热传导性能的一个重要参数。
通常情况下，金属材料的热传导性能较好，而绝缘材料的热传导性能较差。
在工程设计中，需要根据材料的热传导性能选择合适的材料，以确保热量能够有效传递和分布。
其次，热膨胀是材料的另一个重要热学性能。
热膨胀系数是衡量材料热膨胀性
能的参数。
当材料受热时，由于分子热运动增强，材料会膨胀。
不同材料的热膨胀性能各不相同，这对于工程设计和材料选择都具有重要影响。
例如，在建筑工程中，需要考虑材料的热膨胀性能，以避免因温度变化引起的结构变形和损坏。
最后，比热容是材料的又一个重要热学性能。
比热容是指单位质量材料升高1
摄氏度所需吸收或放出的热量。
不同材料的比热容各不相同，这也会对材料的热学性能产生影响。
在工程设计中，需要考虑材料的比热容，以确保在温度变化时能够有效地储存或释放热量。
综上所述，材料的热学性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。
热传导、热膨胀和比热容是材料的重要热学性能，它们直接影响着材料在温度变化时的性能表现。
因此，在工程设计和材料选择中，需要充分考虑材料的热学性能，以确保材料能够满足实际应用的需求。
无机材料的热学性质
三、无机材料的热传导
[1] 相关概念
固体材料中，垂直于x轴方向的截面积为ΔS，沿x 轴方向的温度变化率为dT/dx，在Δt时间内沿x轴方 向传过的的热量为ΔQ，则有
Q dT St
dx
712.3 364.5 301.7
熔点(oC)
3500 1415 232
l(×10-6)
2.5 3.5 5.3
二、无机材料的热膨胀
[3]热膨胀与其它材料性质的关系
[A] 化 学 键 型 [B] 结合能、熔点
1、受热→晶格振动加剧→引 起体积膨胀(l )
2、热容是升高单位温度所需 要的能量
两者具有相似的规律
理想气体的导热公式为 1 Cvl
3
式中，Ｃ为气体容积热容，v为气体分子的平均速度，l为气体分子的平
均自由度。
参考气体热传导是气体分子（质点）碰撞的结果，可以建立 相应的声子碰撞的数学表达式。
对于晶体来说，Ｃ是声子的热容，v为声子的速度，l为声子
的平均自由度。 C在高温时，接近常数，在低温时它随T3变化；声速v 为一常
撞频率越高，则声子的平
均自由程越短，热导率越
小。
1 Cvl
3
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理 (2) 声子散射机构—点缺陷的散射 散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。
[2] 声子的热传导机理 (1) 声子散射机构—声子的碰撞过程
q1 ，q2相当大时，Kn 0， 碰撞后，发生方向反转，从 而破坏了热流方向产生较大 的热阻。
三、无机材料的热传导
[2] 声子的热传导机理
设计材料化学知识点总结
设计材料化学知识点总结1. 材料的热力学性质在材料化学中，热力学性质是研究材料的物理性质和化学性质之间相互关系的一个重要部分。
热力学性质包括热容、热导率、热膨胀系数等。
热容是指物质在吸热或放热过程中所需要的热量，可以用于描述材料的热稳定性和热传导性。
热导率是指材料在热量传导过程中的导热能力，可以用于描述材料的热传导性能。
热膨胀系数是指材料在温度变化时的线性膨胀系数，可以用于描述材料的热膨胀性能。
了解材料的热力学性质可以帮助人们选择合适的材料，并设计出具有特定热稳定性、热传导性和热膨胀性能的材料。
2. 材料的结构性质材料的结构性质是指材料在原子、分子或离子水平上的结构特征。
包括晶体结构和非晶结构。
晶体结构是指材料中的原子、分子或离子按照一定的规则排列形成的有序结构，具有明确的晶体学特征。
非晶结构是指材料中的原子、分子或离子排列是无序的，没有明确的晶体学特征。
了解材料的结构性质可以帮助人们理解材料的物理性质和化学性质，并为材料的设计和制备提供重要的理论基础。
3. 材料的电化学性质材料的电化学性质是指材料在电场作用下的特性。
包括电导率、电化学稳定性、电化学活性等。
电导率是指材料在电场作用下的导电能力，可以用于描述材料的导电性能。
电化学稳定性是指材料在电化学反应过程中的稳定性，可以用于描述材料的防腐蚀性能。
电化学活性是指材料在电化学反应中的活性能力，可以用于描述材料的催化性能。
了解材料的电化学性质可以帮助人们设计和制备具有特定导电性能、防腐蚀性能和催化性能的材料。
4. 材料的表面性质材料的表面性质是指材料表面的物理和化学特性。
包括表面能、表面粗糙度、表面形貌等。
表面能是指材料表面吸附能力的大小，可以用于描述材料的表面活性。
表面粗糙度是指材料表面的粗糙程度，可以用于描述材料的表面质量和功能性。
表面形貌是指材料表面的形状和结构特征，可以用于描述材料的外观和几何形状。
了解材料的表面性质可以帮助人们设计和制备具有特定表面活性、表面质量和表面几何形状的材料。
耐火材料的热学性质讲述
耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质有热膨胀、热导率、热容、温度传导性，此外还有热辐射性。
3.1 耐火材料的热膨胀耐火材料的热膨胀是其体积或长度随温度升高而增大的物理性质。
原因是材料中的原子受热激发的非谐性振动使原子的间距增大而产生的长度或体积膨胀。
衡量耐火材料的热膨胀性能的技术指标有热膨胀率、热膨胀系数。
3.1.1 热膨胀率热膨胀率也称线膨胀率，物理意义：是试样在一定的温度区间的长度相对变化率。
测定出热膨胀率，才能计算出热膨胀系数。
线膨胀率=[（L T-L0）/L0]×100%式中：L T、L0—分别为试样在温度T、T0时的长度，（mm）。
3.1.2 热膨胀系数热膨胀系数有平均线膨胀系数α、真实线膨胀系数αT，体膨胀系数β。
以后除特别说明外，热膨胀系数一般指的是平均线膨胀系数。
线膨胀系数物理意义：在一定温度区间，温度升高1℃，试样长度的相对变化率。
热膨胀系数α=（L T－L0）/ L0（T－T0）=ΔL/ L0ΔT式中：T、T0—分别为测试终了温度、测试初始温度，（℃）。
体热膨胀系数β=ΔV/V0ΔT式中：V0—为试样在初始温度T0时的体积，（mm3）。
真实热膨胀系数αT=dL/LdT式中；L—为试样在某温度时的长度，（mm）。
如线膨胀系数数值很小，则体膨胀系数约等于线膨胀系数的3倍。
对于各向同性晶体，体膨胀系数β≈3α；对于各向异性晶体，体膨胀系数等于各晶轴方向的线膨胀系数只和，即β≌αa+αb+αc。
影响材料热膨胀系数的因素有：化学矿物组成、晶体结构类型和键强等。
①化学矿物组成的影响：含有多晶转变的制品，热膨胀系数的变化不均匀，在相变点会发生突变，例如硅质制品和氧化锆制品；材料中含有较多低熔液相或挥发性成分时，热膨胀系数α在相应的温度区域也发生较大的变化。
②晶体结构类型的影响：结构紧密的晶体热膨胀系数较大、无定型的玻璃热膨胀系数较小，如多晶石英的热膨胀系数α=12×10-6/℃，而石英玻璃的α=0.5×10-6/℃，前者比后者大的多；氧离子紧密堆积结构的氧化物一般线膨胀系数较大，如MgO、Al2O3等；在非同向性晶体（非等轴晶体）中，各晶轴方向的热膨胀系数不等，如石墨：垂直于C轴的层间热膨胀系数为α=1×10-6/℃，而平行于C轴垂直层间热膨胀系数为α=27×10-6/℃；等轴晶体的热膨胀系数比非等轴晶体大的多，如等轴晶体的MgO方镁石的α=13.8×10-6/℃,而晶体非等轴程度较高的石墨、堇青石、钛酸铝等的α＜3×10-6/℃，特别是钛酸铝的α＜1×10-6/℃，采用恰当的工艺方法甚至可以使α＜0/℃。
无机材料科学基础第五章热力学应用
确定CaCO3的分解温度 作 ΔGT0 ～ T 图 ， 当 ΔGT0=0 时 ， 求 得 CaCO3 分 解 温 度 为 ： 1123K 由以上例题可以看出经典计算方法很复杂，尤其是复杂的固 相反应。
近似法 假设 ΔCP 不随温度而变（即 ΔCP=0 ），或把热容看作常数 （即ΔCP=常数）。 近似方程（1）： 条件ΔCP=0 ΔG0T =ΔH0298 - TΔS0298
§5-1 热力学在凝聚态体系中应用的特点
凝聚态系统---没有气相或可以忽略气相的系统。 硅酸盐系统属于凝聚态系统 热力学在凝聚态体系中应用的特点： 一﹑化学反应过程的方向性 物理化学过程通常都发生在凝聚态系统中；一般都是多相 体系，因为相组成复杂﹑质点扩散速度慢，凝聚系统很难达
到热力学意义上平衡，产物常处于亚稳态（玻璃体或胶体状
0 ' G 0 H T T.R R .298 R .T
'R .T ('R ) 生成物 ( 'R ) 反应物
i i
热力学势函数（Φ函数）是热力学基本函数的一种组 合，没有什麽实际物理意义。Φ函数是个状态函数。
2. 热力学势函数法计算ΔGR0 Φ 函数法计算反应的Δ GR.TO的具体方法： ① 查出各物质的标准生成热Δ H0298、各温度下物质的ΔΦ T′ ② 计算反应的Δ H0298、R和ΔΦ T′ ③ 求出反应的Δ G0R、T，Δ GTO=Δ H0298-TΔΦ T′
求ΔGR.T
ΔG0R.T =ΔH0-Δa T lnT-1/2ΔbT2-1/2Δc T-1+y T
2﹑已知反应物和生成物的标准生成热ΔH0R.298﹑标准熵S0298 和
热容CP=f(T)，求ΔG0R，T （1）列出反应物、生成物的ΔH0R.298、S0298和CP中的 a、b、c （2） 计算反应的ΔH0R.298、ΔS0298 和ΔCP 中的Δa、Δb、Δc ΔH0R.298=∑(niΔH0i.R.298)产物 -∑(niΔH0i.R.298)反应物
材料的热力学性质分析及其应用
材料的热力学性质分析及其应用材料是现代工业生产不可或缺的一项重要资源，它们的性能决定了产品的质量和使用寿命。
热力学是研究物质的热现象和能量转换的科学，它不仅为材料的设计和优化提供了理论支持，而且也为材料的应用提供了可靠的保障。
本文将探讨材料的热力学性质分析及其应用。
一、材料的热力学性质热力学性质指的是材料在吸热或放热过程中所表现出来的特定性质，包括热容、热导率、热膨胀系数、比热、相变热等。
这里我们以金属材料为例，简述一下它们的热力学性质。
1. 热容。
热容指的是当给定质量的物质从一个温度变化到另一个温度时，所需的热量的变化量。
对于金属材料，准确测量其热容是十分重要的，因为它直接关系到材料的热传导性能和相变时的吸放热量。
在实际应用中，人们通常采用热量积分法、直接热测量法和差示扫描量热法等方法来确定金属材料的热容。
2. 热导率。
热导率是材料传导热量的能力，它指的是单位时间内，单位温度差下的热量传导量。
金属材料的热导率通常很高，但不同类型的金属材料热导率也有所差别。
人们可以通过光波法、物质流动法和电阻率法等方法来测量金属材料的热导率。
3. 热膨胀系数。
热膨胀系数是指物质单位温度变化时所发生体积变化的大小。
金属材料的热膨胀系数是较小的，但这种性质对于设计高精度仪器和卫星平台等应用领域来说具有重要意义。
4. 比热。
比热指的是物质在吸收或释放热量时所表现出来的热性质，它是热力学性质研究中的重要参数之一。
金属材料的比热在常温下是较小的，但这种性质对于材料的热工艺加工和机械加工来说具有重大意义。
5. 相变热。
相变热指的是物质相变时所需要吸收或释放的能量。
对于金属材料，相变热通常伴随着材料的相变过程发生。
例如，铝的熔点在660℃左右，当它从固态变为熔融态时，就需要吸收约397焦耳的相变热。
二、材料热力学性质的应用材料热力学性质的应用范围很广，而且已经成为现代工业设计和材料制造的基础。
下面我们来看一些具体的应用：1. 设计高温化学反应器。
无机材料科学基础 第5章 热力学应用
第五章热力学应用§5-1 热力学应用计算方法一、经典法已知在标准条件下反应物与生成物从元素出发的生成热△H0298。
生成自由能△G0298及反应物与产物的热容温度关系式Cp=a+bT+cT-2中各系数时，计算任何温度下反应自由能变化可据吉布斯—赤赤姆霍兹关系式进行[α（△G0R/T）/Αt]P=-△H0R/T2（5-5）据基尔霍夫公式：△H0R=△H012298+∫T298△cpo/T （5-6）和考虑反应热容变化关系：△cp=△a+△bT+△c/T2（5-7）可积分求得：△H0R=△H0+△aT+½△bT2+△c/T （5-8a）△H0为积分常数：△H0=△H012298+298△a－2982△b/2+△c/298 （5-8b）将（5-6）式代入（5-5）式并积分，便得任何温度下反应自由能变化△G0298的一般公式：△G0298=△H0－△aTLnT－½△Bt2－½△cT-1－Yt （5-9a）y=（△G0R·298－△H0）/298+△aLn（298）+298△b/2+△c/2×2982（5-9b）经典法计算反应△G0298一般步骤：1、由有关数据手册，索取原始热力学基本数据：反应物和生成物的△H0298、△G0298（S0298）以及热容关系式中的各项温度系数：a、b、c。
2、计算标况下（298K）反应热△H0R·298，反应自由能变化△G0R·298, G0R·298或反应熵变△S0R·298以及反应热容变化△Cp中各温度系数△a、△b、△c。
3、将△H0R`298、△a、△b以及△c分别代入式（5-8b）各项，计算积分常数△H0。
4、△G0R`298、△a、△b以及△c分别代入式（5-9b）各项，计算积分常数y。
5、将△H0、y、△a、△b以及△c代入（5-9a）式得△G0R～T函数关系式。
材料科学基础 第五章 5.1-5.4相图
5.2.3 杠杆定律
设成份为 X的合金的总重量为1，液相的相对重量为 QL，其 成份为 X1，固相相对重量为Qα，其成份为X2，则 ：
5.2.4 相图的类型和结构 根据组元的多少，可分为单元系、二元系、三元 系 …. 相图。
二元系相图的类型有：
① 液态无限溶解，固态无限溶解 -匀晶相图； ②液态无限溶解，固态有限溶解 -共晶相图和包晶
共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）
共晶合金的特殊性质： ①比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作； ②共晶合金比纯金属有更好的流动性，其在凝固之 中防止了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造 性能； ③恒温转变（无凝固温度范围）减少了铸造缺陷， 例如偏聚和缩孔； ④共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规 则排列的层状或杆状共晶组织可能成为优异性能的 原位复合材料（in－situ composite ）。
5.2.2 相律
相律(phase rule)是表示在平衡条件下，系统的自 由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平 衡条件的数学表达式。 相律数学表达式：f = C – P + 2 式中 P—平衡相数 C—体系的组元数 f—体系自由度（degrees of freedom） 数 2－温度和压力 自由度数 f：是指不影响体系平衡状态的独立可 变参数（温度、压力、浓度等）的数目。 在恒压下，相律表达式： f = C – P + 1
相律的应用
① 利用它可以确定系统中可能存在的最多平衡相数 单元系，因f ≥0，故 P≤1-0+1=2，平衡相最大为二个。 注意：这并不是说，单元系中能够出现的相数不能超过二 个，而是说，某一固定 T下，单元系中不同的相只能有两 个同时存在，而其它相则在别的条件下存在。
计算材料学-第5章 分子动力学性能分析及其应用
cxy
M 1iM 1xixyiy
M 1iM 1xix
2M 1iM ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱyiy
2
x-xyiy
2
2
x- x yiy
(5.2)9
cxy也可以写为
cxy
M i 1xi
yi
M 1iM 1xiiM 1yi
iM 1xi2M 1iM 1xi2iM 1yi2M 1iM 1y22
(5.3)0
热力学性质，如温度、压力、热容。这些量可由 体系的坐标和动量的统计平均得到，称为静态性 能。
有一类热力学性质不能在一次模拟中直接得到。 也就是说，这些性质不能表达为体系中所有粒子 坐标和动量的一些函数的简单平均，称为动态性 能。
物性参量可以根据原子的坐标和速度通过统计处理得出， 在统计物理中可以利用系综微观量的统计平均值来计算物 性参量值，即
分子动力学模拟可以提供特定时刻的值，这样使得我 们可以计算一个时刻的物理量与同一时刻或另一时刻(时 间t以后) 的另一物理量的关联函数，这个值被称为时间关 联系数，关联函数可以写为
(5.31)
上式用到了lim t→0时，Cxy=〈xy〉和 lim t→ 时， Cxy=<x><y>
如果<x>和<y>是不同的物理量，则关联函数称为交叉关联 函数(cross-correlation function)。
热力学量关于平均值的分布应该是高斯分布，即
发现一个特定值 A 的几率为
p(A)=
（5.1）
式中，为方差， =〈 的平方根。
〉。标准偏差为方差
微观领域往往研究单个粒子的行为，
宏观性质是大量粒子的综合行为。
分子动力学（MD）方法可以研究由热力学统计物 理能够给出的各种性能参数。统计力学将系统的 微观量与宏观量通过统计物理联系起来。
材料科学基础第五章
晶体的滑移过程不仅没有降低位错数量，反而大 大增加，这意味着，在变形过程中位错以某种机制 增殖了。 （1）Frank－Read 位错源 （Frank－Read Source）
由弗兰克－瑞德源提出的一种位错增殖机制
F-R源动作过程 材料科学基础第五章
刃位错AB的两端A和B被位错用结点钉扎住
塑性变形
外形尺寸变化
内部组织、性能变化
材料科学基础第五章
※ 1. 弹性和粘弹性(Elasticity and Viscoelasticity)
一. 弹性变形(Elastic Deformation)
二. 低碳钢的拉伸试验
三. 弹性变形: 可逆性
四.
外力去处后可完全恢复
五.
材料科学基础第五章
本质:可从原子间结合力的 角度来了解之
材料科学基础第五章
转动的原因 两对力偶：
s1 -s2
为上下两滑移面的法向分应力
在该力偶作用下，使滑移面转至轴 向平行
t1-t2 垂直于滑移方向的分切应力
在该力偶作用下，使滑移方向转到最大 分切应力方向
t1 -t2 是//滑移方向的真正引起滑
移的有效分切应力
材料科学基础第五章
晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化 分切应力值变化
几何 硬 化现象 软
5. 多系滑移 Multiple slip
外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且te tc的滑 移系－原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴 随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利（硬取向） 滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑 移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称 为多系滑移。
材料热力学 第5章 相变热力学
5．4 析出相表面张力效应
5．4．1 表面张力与附加压力
附加压力：
5．4，2 表面张力与溶解度 多数的情况下附加压人的影响是作用在第二相粒子上，如果α基体上分布着球 形的第二相β,那么α是处于常压下．而β在此基础上还要受到附加压力的作用， 如下式所示:
第5章 相变热力学
5．1 无扩散相变
特点：相变无成分变化
T0线就是各温度下母相与转变产物柑的摩尔自由能相等的各点成分的连线， 或称无扩散相交驱动力为o的成分与温度关系曲线。
冷却时所发生的无扩散切变相变的开始温度称作马氏体点。 马氏体点比To线温度低得多:马氏体相变阻力大，需要驱动力大
由于存在磁性：
5．2 固溶体的分解 5．2．1 固溶体自由能曲线的分析
固溶体稳定 固溶体失稳分解
若忽略成分的3次方以上各项：
可分为：稳定区； 失稳区：
亚稳区：
但生成相自由能低，发生形核 生长。
若自由能曲线如下图所示
△Gm﹥0，相变不发生
若自由能曲 线如图
形核驱动力：
5．3 第二相析出
第五讲材料的热稳定性
37
本章小结
材料的热容
经典理论 量子理论 影响因素
材料的膨胀
物理本质 影响因素
材料的热传导
基本概念 物理机制 影响因素
材料的热稳定性
热应力 提高抗冲击断裂性能的措施
38
表示热学性能的参数比较
热容（比热容）热膨胀系数
定义
C Q T
TБайду номын сангаас
1 lT
dl dT
物理本质 经典理论 作用力曲线
龟裂前一次温度
普通耐火材料： 加热到一定温度保温 急冷 重复操作直到试件失重20 %。
操作次数 7
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
8
2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
➢ 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
➢ 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
➢ 具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
28
航天方面
90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 用热防护梯度材料解决热应力问题。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
3
什么是热稳定性？
热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度变化而不致破坏的能力。
木材的热学性质 - 木材的热学性质
(m2 / s) C
➢ 木材弦向导热温度系数为11.76～17.54×10-8 m2/s
6.4 木材的热学性质
(3)木材的导温系数
➢ 影响因素： ① 密度：ρ↑→α↓ ② 含水率：W↑→α↓ （α水<α空气） ③ 温度：T↑→α↓ ④ 热流方向：α顺纹>α横纹; α径向<α弦向
(5)热对木材性质的影响
➢ 热处理
6.4 木材的热学性质
(5)热对木材性质的影响
➢ 热处理
6.4 木材的热学性质
(5)热对木材性质的影响 ➢ 水热软化
6.4 木材的热学性质
➢木材的热物理性质，是由比热、导热系数、导 温系数等热物理参数来综合表征的。
➢建筑部门进行隔热、保温设计时的数据指标。 ➢木材加工的热处理，如原木的解冻、木段的蒸
煮、木材干燥、人造板板坯的加热预处理等。
热：单位量的某种物质温度变化1℃所吸收或放
Qd A t( 2 1 )
➢ 木材是具有很多空气孔隙的多孔性材料，所以其导 热系数很小，属于热的不良导体。
6.4 木材的热学性质
(2)木材的导热系数
➢ 测量方法：稳态和非稳态
6.4 木材的热学性质
(2)木材的导热系数
几种常见材料的导热系数
6.4 木材的热学性质
(2)木材的导热系数
➢ 影响因素：
①密度：随密度的增加成比例增加 ②含水率：随含水率的增加而增大 ③温度：随温度的升高而增大 ④热流方向：顺纹>横纹,比值1.8~3.5
径向>弦向,相差约12.7%
6.4 木材的热学性质
(3)木材的导温系数（热扩散率）
➢ 物理意义：表征材料在冷却或加热的非稳定状态过
材料的热力学性质研究
材料的热力学性质研究材料在各个行业中扮演着至关重要的角色，但是不同种类的材料在不同的环境中可能会表现出不同的性质，我们需要对材料的性质进行系统的研究。
其中，热力学性质是其中最为关键的一类性质。
本文将介绍热力学的概念、热力学性质的种类以及热力学的应用。
热力学概述热力学是一门研究热量与其它形式能量之间转化关系的学科。
研究的对象包括各种能量的转化、机械功、热功、化学反应等。
热力学分为热力学平衡与非平衡热力学两大类。
其中热力学平衡是指物质和能量在平衡状态下自发地分布，而非平衡热力学则是指物质和能量在不断变化过程中的研究。
热力学性质热力学性质是指材料在不同的温度、压力、成分条件下所表现出的性质。
常见的热力学性质包括：热容量、热膨胀系数、热传导率等。
其中，热容量是指物体单位质量的温度升高1度所需要的热量。
热膨胀系数是指物体在单位温度升高1度时所增加的长度与原长度之比。
热传导率是指单位时间内热量从物体的一端传递到另一端的热流量。
热力学性质的应用热力学性质对于材料的研究应用非常广泛。
其中，一些常见的应用如下：1. 工业制程：在工业制程中，比如冶金、化工、制药等，我们需要对材料的热力学性质进行研究以便进行加热或其他过程，从而提高生产效率。
2. 能源利用：在能源利用中，通过对材料的热力学性质研究，我们可以了解材料在不同条件下，比如温度、压力、能量等，所表现出的性质，这些信息对于能源的利用以及研发新型能源材料具有重要的指导作用。
3. 材料设计：通过对材料的热力学性质进行研究，我们可以根据具体的材料特性进行材料的设计。
比如，选择合适的材料可以改善产品的性能，提高产品的使用寿命，并且减少产品制造过程的能耗等。
总之，热力学性质对于材料的研究和应用至关重要。
材料热力学性质的研究应包括物质的热力学平衡和非平衡热力学，了解材料的热容量、热膨胀系数、热传导率等性质有助于提高工业制程的效率、能源的利用以及材料的设计。
热力学性质作为一种基础性质和应用性知识，对于材料科学的研究和应用具有不可替代的作用。
材料表面与界面 第五章 表界面热力学与动力学
Wc＝2γa 或 Wc＝2γb
3 ( a b ) 4
1 Wab ( a b ) 2
由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于 不同物质间的摩擦。
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： (1) 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不 等于表面自由能； (2) 固体的表面张力是各向异性的。 (3) 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面 形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 (4) 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
如果在活动边框上挂一重物，使 重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小 相等方向相反，则金属丝不再滑 动。
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面， 所以边界总长度为2l， 就是作用 于单位边界上的表面张力。
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。 表面张力的单位是：
表面自由能定义
G ( )T , P ,nB As
其物理意义是在等温等压以及恒组成条件下,每增加 单位表面时系统吉布斯自由能的增加
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
又可称为表面Gibbs自由能
2
表面自由能的单位： J m
表面张力 （surface tension）
表面自由能 (surface free energy)
界面能
实验证明，界面能 γab约为 1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、 b两物质 能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为
1 ( a b ) 4
若a、b 两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为 a、b为同一物质 a、b相互溶解 a、b不能相互溶解
材料热学性能之材料的热稳定性
材料热学性能之材料的热稳定性引言材料的热学性能是指材料在受热或加热过程中的物理和化学性质的变化。
其中，材料的热稳定性是评估材料在高温条件下是否能够维持其结构和性能的重要指标。
在许多工业和科学应用中，材料需要能够承受高温环境，并且保持其稳定性，以保障系统的平安和可靠性。
本文将探讨材料的热稳定性及其影响因素，并介绍一些常见的提高材料热稳定性的方法。
材料的热稳定性影响因素材料在高温环境中的热稳定性受到多种因素的影响，包括化学成分、晶体结构、晶格缺陷等。
化学成分材料的化学成分对其热稳定性有着重要的影响。
化学成分中的元素可以通过改变材料的化学键强度和键长，从而影响材料的热稳定性。
例如，添加一些稳定剂可以减少材料在高温下的氧化或分解反响。
晶体结构材料的晶体结构也对其热稳定性发挥着重要作用。
晶体结构中的晶体缺陷〔如点缺陷、位错等〕可以导致结构的不稳定性，使材料在高温下容易发生相变或失去特定的性能。
晶格缺陷晶格缺陷是指材料中存在的缺陷，如空位、附加原子等。
这些缺陷可以导致晶体结构的不稳定性，并在高温下促使材料发生相变或失去稳定性。
提高材料热稳定性的方法为了提高材料在高温环境中的热稳定性，科学家和工程师们开发了多种方法。
以下是一些常见的提高材料热稳定性的方法：材料合金化合金化是指向材料中引入其他元素以改变其化学成分的过程。
通过选择适宜的合金元素，可以改善材料的稳定性，防止其在高温下发生相变或分解反响。
例如，钴基高温合金在高温环境中具有较高的热稳定性，广泛应用于航空发动机等领域。
外表涂层外表涂层是在材料外表涂覆一层特殊材料以提高其热稳定性。
这种方法可以保护材料免受高温氧化或化学反响的影响。
例如，涂覆一层陶瓷涂层可以提高金属材料的热稳定性，并延长其使用寿命。
晶体工程晶体工程是通过改变材料的晶体结构来提高其热稳定性。
这可以通过调整晶体结构中的晶格缺陷或控制晶体生长过程来实现。
例如，通过适宜的晶体工程方法，可以改善半导体材料在高温环境下的性能稳定性。
材料热力学第五章
第五章 马氏体转变热力学
γ奥式体 α马氏体
第五章
转变温度
从合金热力学可知，成
分相同的奥氏体与马氏
体的自由焓G均随温度 的升高而下降。但下降 的速率不同，两曲线必 相交于一个特征温度T0
马氏体和奥氏体的自由焓与温度的关系
第五章
与其他转变一样，马氏体的形成将导致界面能和弹性能 的产生。为此马氏体转变，或马氏体逆转变并非在T0开 始，分别需要过冷和过热。只有自由焓差足够大，直至 Ms(马氏体转变起始温度)或As(马氏体逆转变起始温度)，
第五章 马氏体相变基本特征
马氏体转变时，只需点阵改组而无需成分的变化(溶质原
子无需扩散)，转变速度非常快。实验证明Fe-C和Fe-Ni
合金在－20~－196℃温度之间成核并生长成一片完整的 马氏体仅需0.5~0.05μs，接近绝对零度时，形成速度仍 然很高。在这样低的温度下，原子扩散速度极慢，依靠扩 散实现快速转变是根本不可能的，是无扩散型相变。
第五章
第五章 相变热力学
综述 1、相变的分类：依机理、热力学、质点是否参与扩散 2、相变过程的不平衡状态及亚稳区 3、相变过程的温度条件、浓度条件 4、纯金属凝固转变热力学
第五章
1、相变的分类：依机理、热力学、质点是否参与扩散 按相变发生的机理分类
1、成核-生长机理（nucleation-growth transition）
形核长大
固溶体脱溶有两种不同方式
调幅分解
究竟采用哪种方式，决定于合金的成分 和体系的温度，即决定于在特定温度下 的自由能-组成曲线的形状 固溶体自由能 曲线分析 调 幅 分 解
一、固溶体自由能曲线分析
固溶体的性质与摩尔自由能曲线性质的关系
第五章
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p
(Q / T ) p (H / T ) p
C v (Q / T ) v (E / T ) p
f D ( D / T ) 1
5.1.2德拜的比热模型
f 为德拜热容函数，θ =hvmax/k称为德拜温度， C 则德拜热容的表达式 3 Nkf ( / T ) 3 Rf ( / T )
（或点阵波），晶格波是多频率振动的组合波。
2）晶格波的能量是量子化的。对于晶格波中频率 很小的波，其能量称为声子，声子是点阵波能量 的最小单位。晶格波的能量必然是单个声子能量
的整数倍。声子能量与晶格波频率ν有关，
E 声子 h
3）对于晶格波中频率很高的振动，其频率达到红
外光区，称其为光频支振动，光频支振动可以吸
D D
v D D D D
（1）当晶体处于较高温度时， kT远大于 hv ,德拜热容函数 f D ( D / T ) 1
max
C v , m 3 Rf
D
3 R 24 . 9 J /( mol K )
D
（2）当晶体处于低温时，T远小于θ ,取 θ /T→∞，则： 12
D
4
C v ,m
2）热扩散和热阻
热扩散率 α 它的物理意义是与不稳定导热 过程相联系的。
T t
dc
p
T
2
x
2
dc
p
热阻R 其中Ф为热流量。 1/R 为热导。
R
T
5.3.2材料热传导的微观机制
1）晶格振动以弹性波的形式，在固体内部通过晶 格振动的相互影响而传播，我们称之为晶格波
v ,m
3 v ,m
D
2)合金热容
固态化合物分子摩尔定压热容Cp,m是由组元 原子热容按比例相加而得，其数学表达式 为 C pC qC 对于二元固溶体合金质量定压热容
p ,m p ,m1 p ,m 2
Cp
A,B
CaC
B p
(1 Ca ) C p
A
Ca为组元B在固溶体中的原子浓度。
5.2.3热膨胀系数 与其它物理量的关系
1）格临爱森从晶格振动理论导出金属膨胀系 r 数与热容的关系： KV C
V
r….格临爱森常数，K …. 体弹性模量，V …. 体积，CV …. 比热。
2）纯金属从0K时升温，体积膨胀不超过 6%， 3）物质熔点越低，则膨胀系数越大。
部分物质的膨胀系数熔点的关系
过光子传导的热辐射也很明显。
5.3.3影响无机材料热导率的因素
1）温度
k
1 3
Cvv l
CV:热容，v ：声子运动的平均速度，l:声子运动 的平均自由程。（P264,图5-67）
v
温度不太高时，热传导主要靠声子，高温时光子 传热也有影响。
2）化学组成
轻元素的固体和结合能大的固体热导率较 大。 3）晶体结构 晶体结构越复杂，热导率越小。 某些无机材料的热导率（图5.71 （b）,p267）
5
R (T / D ) , C v , m T
3
3
C v ,m T
3
5.1.3金属与合金的热容
1）金属的热容
由于金属中含有大量的自由电子，自由电子对热 容的贡献也要考虑，这使金属的热容与其它键合 晶体的热容曲线不同。主要表现为高温和低温时 不同。以铜为例（见图5.3P216）
Ⅰ区：0～５Ｋ, C T Ⅱ区： C T Ⅲ区：T→θ , Cv,m→3R Ⅳ区：T>θD, Cv,m>3R…..因为自由电子的贡 献.
材料损坏、使用性能丧失，对这些材料，
只有测热冲击损伤性才有实际意义。通过
调整气孔大小和气孔率等对材料结构进行
设计，可提高其热稳定性能。
5）陶瓷坯体吸湿→体积膨胀→降低釉层的压应力→釉层龟 裂
5.3材料的热传导
5.3.1固体热传导的宏观规律
1）简化的傅利叶导热定律：设t为时间；T为温度
（K）,κ为热导率；d为材料密度，c 为定压比容。
P
α为热扩散率，亦称导温系数。热流密度正比于
温度梯度（稳态传热，各点温度不随时间变化）
q dT dx
i i
5.2无机材料的热膨胀
5.2.1热膨胀系数 物体体积或长度随温度升高而增大的现象 称为热膨胀。热膨胀系数之线膨胀系数：
T
dl l dT
对于立方晶系等均质晶体，各方向的膨胀 系数相同。体膨胀系数： 3 对于各向异性晶体：
a b c
5.2无机材料的热膨胀
5.1.4无机材料的热容
1）无机材料的热容与材料结构的关系不大， 但单位体积的热容却与气孔率有关。多孔 材料因为质量轻，所以热容小，因此提高 轻质隔热砖的温度所需要的热量远小于致 密的耐火砖（如窑炉用硅藻土砖，泡沫刚 玉等） 2）较高温度下固体的摩尔热容大约等于构 成该化合物各元素原子热容的总和 C nC 其中ni为元素i的摩尔分数。
第5章 材料的热学性质
材料热学性质的本质
材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热 稳定性、熔化和升华等 材料的热学性能的本质，均与晶格热振动有关 晶格热振动 晶体点阵中的质量等总是围绕着平衡 位置作微波振动，晶格热振动是三维的，可以根 据空间力系将其分解成三个方向的线性振动。 各质点热运动的动能的总和，即为该物体的热量， 即
不改变外力作用状态，材料因热冲击而开裂
损坏，必然源于多晶产生的热应力超过材
料的承受极限所致。材料因热膨胀或收缩
引起的内应力称为热应力。
2）温度梯度产生的热应力
3）不一定要在机械压缩或膨胀的情况下才会
产生热应力，具有不同膨胀系数的多相材 料因膨缩性不同相互牵制也产生热应力。
5.4.3抗热冲击断裂性能
5.4热稳定性
5.4.1概念
热稳定性指材料承受温度的急剧变化而不致于破
坏的能力，所以也称抗热振性。
一般无机材料的热稳定性是比较差的。其热冲击
损坏分为两种情况：
A,材料发生瞬时断裂，称为抗热冲击断裂性
B,在热冲击循环下，材料表面开裂，剥落，最终
碎裂或变质，这叫抗热冲击损伤性。
5.4.2热应力
1）概念
在多晶多相无机材料以及复合材料中， 由于各相及各方向的热膨胀系数不同 所引起的热应力问题是选材用材料的 突出矛盾。 一般而言，材料的热膨胀系数小，则 材料的热稳定性也越好。 Si3N4的α =2.7×10-6K,热稳定性好。
T
5.2.2固体材料的热膨胀机理
1）固体材料热膨胀的本质，归结为点阵结 构中质点间平均距离随温度升高而增大。 2）晶格振动中相邻质点间的作用力是非线 性的。 3）斥力随位移增大的速度大过引力 4）随升温时振幅增大，质点的平均位置向 远离相邻质点的方向移动，意味着质点间 的距离增大。(p211图5.22，5.23)
5.1热容
5.1.1热容的概念 热容是分子热运动随温度而变化 的一个物 理量。热容是物质温度上升1K所需要增加 的能量。 温度T时，热容 C ( / T ) 比热容：1克物质的热容J/(k.g) 恒压热容Cp大于恒容热容Cv
T T
恒压热容Cp大于恒容热容Cv
Q为热量，E为内能，H为焓。
5.2.4多晶和复合材料的热膨胀
1）多晶和复合材料中各相α不同，在烧结后的冷却过程中产 生内应力引起热膨胀。 2）多晶转变→体积不均匀变化→α不均匀变化。 3）不同方向膨胀差太大时，会因内应力而使坯体产生裂纹， 再加热时，该裂纹趋向于消失，微裂纹多见于晶界，晶体 长大→应力发展→裂纹
4）釉的膨胀系数适当地小于坯体，制品的力学强度提高。 因为降温时产生的压应力可提高力学强度。
收发射红外光
4）固体中分子、原子和电子的振动、转动状态的
改变会辐射出频率较高的电磁波，其波长在红外
光波段，这种辐射在低温时不明显，在高温时显
著。
5）固体材料在低温和常温时的热传导主要 是声子传导，但对金属材料，则还有自由 电子传导，且金属中自由电子传导的热传 导率远大于声子，所以金属中声子的热传 导可以忽略。 6）高温时，固体物质中除声子传热外，通
单质材料 熔点（℃） α (×10-6)
金刚石
3500
2.5
硅
1415
3.5
锡
232
5.3
5.2.3热膨胀系数与其它物理量的关系
4)金属的硬度愈高，膨胀系数愈小 5）对于相同组成的物质，结构紧密的晶体， 膨胀系数较大 6）空位引起晶体附加体积，引起膨胀系数 增加。 7）晶体在临近熔化前，热缺陷增多，引起 膨胀系数增加。晶体各向异性引起膨胀系 数各向异性，弹性模量小的方向有大的热 膨胀系数。
1）材料的热导率K越大，传热愈快，热稳 定性越好。 2）薄片传热通道短，热稳定性好， 3）材料表面散热速率大对热稳定性不利。 4）有些场合关心材料所允许的旽大冷却速 率。
5.4.4热冲击损伤性
对结构和构造紧密的块状材料，用抗热冲
击断裂性可判断热稳定性，但对含有微孔
的材料，裂纹可被孔隙所阻止，不致造成