第八章 热力学定律
本章学习提要
1．理解热力学第一定律，知道热力学第一定律反映了系统内能的变化和系统通过做功及传热过程与外界交换的能量之间的关系。初步会用热力学第一定律分析理想气体的一些过程，以及生活和生产中的实际问题。
2．知道热力学第二定律的表述。知道熵是描写系统无序程度的物理量。
热力学的两个基本定律都是通过对自然界和生活、生产实际的观察、思考、分析、实验而得到的，这也是我们学习这两条基本定律应采取的方法。人类的进步是与对蕴藏在物质内部能量的认识和利用密切相关的。热力学定律为更好地设计和制造热机、更好地开发和利用能源指明了方向。随着生产和科学实践的发展，人们逐步领悟到有效利用能源的意义，懂得遵循科学规律的重要性，从而更自觉地抵制违背科学规律的行为。此外，以热力学定律为基础的现代热力学理论还广泛应用于物质结、凝聚态物理、低温物理、化学反应、生命现象、宇宙和恒星演化等领域，取得了巨大成就。
A 热力学第一定律
一、学习要求
理解热力学第一定律。初步会用热力学第一定律分析理想气体的一些过程，以及生活和生产中的实际问题。
关注热力学第一定律的建立过程，明白热力学第一定律是包括内能的能的转化和能量守恒定律，是通过对自然界和生活、生产实际的观察、思考、分析、实验而得到的自然界中的最基本、最普遍的定律之一，通过对热力学第一定律的学习，体会该定律在科学史上的重要地位，感受该定律对技术进步和社会发展的巨大作用。
二、要点辨析
1．热力学第一定律的含义和表式
热力学第一定律是包括内能的能的转化和能量守恒定律。物质的内能是一种与物质内的大量构成粒子无序热运动有关的能量形式，物质系统（如汽缸中一定质量的气体）内能的变化是它与外界交换能量的结果，而这种能量的交换则可通过做功和热传递两种方式实现，热力学第一定律反映了系统内能的变化（ΔU）与它和外界交换的功（W）和热量（Q）之间的定量的关系：
ΔU＝Q＋W。
2．应用热力学第一定律解题时，要注意各物理量正、负号的含义
1 第7章 扩散
一、名词解释
1．扩散：
2．扩散系数与扩散通量：
3．本征扩散与非本征扩散：
4．自扩散与互扩散：
5．稳定扩散与不稳定扩散：
名词解释答案：
一、扩散是指在梯度的作用下，由于热运动而使粒子定向移动的过程
二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目
扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个
三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散
非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散
四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散
互扩散：两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散
五、稳定扩散：单位时间内通过单位面积的粒子数一定
不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定
二、填空与选择
1.晶体中质点的扩散迁移方式有： 、 、 、 和 。
2．当扩散系数的热力学因子为 时，称为逆扩散。此类扩散的特征为 ，其扩散结果为使 或 。
3．扩散推动力是 。晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种：
和 。
4．恒定源条件下，820℃时钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层，同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需 小时.
5．本征扩散是由 而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由 和 两部分组成，扩散系数与温度的关系式为 。
6．菲克第一定律适用于 ，其数学表达式为 ；菲克第二定律适用于 ，其数学表达式为 。
7．在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。由热缺陷所引起的扩散称 ，而掺杂点缺陷引起的扩散称为 。（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散）
8．在通过玻璃转变区域时，急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般 相同组成但充
2 分退火的玻璃中的扩散系数。（高于、低于、等于）
9．在UO2晶体中，O2－的扩散是按 机制进行的。（空位、间隙、掺杂点缺陷）
【⽆机材料物理性能】课后习题集答案解析
课后习题
《材料物理性能》
第⼀章材料的⼒学性能1-1⼀圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉⼒，若直径拉细⾄2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉⼒下的真应⼒、真应变、名义应⼒和名义应变，并⽐较讨论这些计算结果。
解：
由计算结果可知：真应⼒⼤于名义应⼒，真应变⼩于名义应变。1-5⼀陶瓷含体积百分⽐为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的⽓孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有
当该陶瓷含有5%的⽓孔时，将P=0.05代⼊经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)0816.04.25.2ln ln ln 2
2
001====A A l l T ε真应变)
(91710
909.44500
60MPa A F =?==-σ名义应⼒0851
.010
0=-=?=A A l l ε名义应变)(99510524.445006
MPa A F T =?==
-σ真应⼒)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量)
(1.323)84
05.038095.0()(1
12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
1-11⼀圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉⼒F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所⽰之⽅向的滑移系统产⽣滑移时需要的最⼩拉⼒值，并求滑移⾯的法向应⼒。
解：1-6试分别画出应⼒松弛和应变蠕变与时间的关系⽰意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应⼒松弛过程：Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：
第一篇 材料的力学性能
第一章材料的弹性变形
一、 名词解释
1、弹性变形：外力去除后，变形消失而恢复原状的变形。P4
2弹性模量：表示材料对弹性变形的抗力，即材料在弹性变形范兩内，产生单位 弹性应变的需应力。P10
3、 比例极限：是保证材料的弹性变形按正比例关系变化的最大应力。P15
4、 弹性极限：是材料只发生弹性变形所能承受的最大应力。P15
5、 弹性比功：是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。P15
6、 包格申效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%）, 而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的 现象。P20
7、 内耗：在加载变形过程中，被材料吸收的功称为内耗。P21
二、 填空题
1、 金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗（变形）和（断裂）的能力。
P2
2、 低碳钢拉伸试验的过程可以分为（弹性变形）、（塑性变形）和（断裂）三个 阶段。P2
三、 选择题
1、 表示金属材料刚度的性能指标是（B ）。P10
A比例极限 B弹性模量 C弹性比功
2、 弹簧作为广泛应用的减振或储能元件，应具有较高的（C ）<> P16
A塑性 B弹性模量 C弹性比功 D硬度
3、 下列材料中（C ）最适宜制作弹簧。
A 08 钢 B 45 钢 C 60Si:Mn C T12 钢
4、 下列因素中，对金属材料弹性模量影响最小的因素是（D ）。
A化学成分B键合方式 C晶体结构 D晶粒大小
四、问答题
影响金属材料弹性模量的因素有哪些？为什么说它是组织不敬感参数？
答：影响金属材料弹性模量的因素有：键合方式和原子结构、晶体结构、化学成 分、温度及加载方式和速度。弹性模量是组织不敬感参数，材料的晶粒大小和热 处理对弹性模量的影响很小。因为它是原子间结合力的反映和度量。P11
第二章材料的塑性变形
一、名词解释
1、 塑性变形：材料在外力的作用于下，产生的不能恢复的永久变形。P24
