材料物理性能复习重点

1. 热容：热容是使材料温度升高1K所需的热量。公式为C=ΔQ/ΔT=dQ/dT (J/K)；它

反映材料从周围环境中吸收热量的能力，与材料的质量、组成、过程、温度有关。

在加热过程中过程不同分为定容热容 和定压热

容 。

2. 比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K所需的热量

称为比热容 每个物质中有两种比热容，其中cp＞cv，cv不

能直接测得。

3. 摩尔热容：1mol的物质在没有相变或化学反应条件下升高1K所需的能量称为摩

尔热容，用Cm表示，单位为J/(mol·K)

4. 热容的微观物理本质：材料的各种性能（包括热容）的物理本质均与晶格

热振动有关。

5. 热容的实验规律：

1.对于金属:

2.对于无机材料（了解）

1.符合德拜热容理论，但是德拜温度不同，它取决于键的强度、材料的弹性模量、

熔点等。

2.对于绝大多数氧化物，碳化物，摩尔热容都是从低温时一个最低值增到到1273K

左右近似于3R，温度进一步升高，摩尔热容基本没有任何变化。

3.相变时会发生摩尔热容的突变

4.固体材料单位体积热容与气孔率有关，多孔材料质量越小，热容越小。因此提

高轻质隔热砖的温度所需要的热量远低于致密度的耐火砖所需的热量。

6.经典理论

传统理论不能解决低温下Cv的变化，低温下热容随温度的下降而降低而下降，当温度

接近0K时热容趋向于0

7.量子理论

1.爱因斯坦模型

三个假设：1.谐振子能量量子化2.每个原子是一个独立的谐振子3.所有原子都以相同

的频率振动。

爱因斯坦温度：

爱因斯坦模型在T >> θE 时，Cv，m=3R,与实验相符合，在低温下，T当T << θE时Cv，

m比实验更快趋于0，在T趋于0时，Cv,m也趋于零。

爱因斯坦模型不足之处在于：爱因斯坦模型假定原子振动不相关，且以相同频率振动，

而实际晶体中，各原子的振动不是彼此独立地以同样的频率振动，而是原子间有耦合作

用，点阵波的频率也有差异。温度低尤为明显

2.德拜模型

德拜在爱因斯坦的基础上，考虑了晶体间的相互作用力，原子间的作用力遵从胡克定律，

固体热容应是原子的各种频率振动贡献的总和。

德拜模型认为：

1.晶体热容主要是弹性波的振动，即较长的声频支在 低温下的振动。由于声频支的波

长远大于晶格常数， 可将晶体当成连续介质，频率具有0～ωmax。即德拜 把晶体视为

连续介质，格波视为弹性波。

2.高于ωmax的频率在光频支范围，对热容贡献很小，可忽略。

德拜温度

当温度较高时，T >> θD，Cv=3R，当温度稳低时，T <

θD取决于材料的键强度、弹性模量和熔点，它反映晶体点阵内原子间结合力。

但德拜模型不适用于超导、原子频率较高的部分等方面。

爱因斯坦模型与德拜模型异同：

1. 这两模型的相同之处，认为能量是量子化的。

2. 德拜模型考虑了各原子之间是相互影响的，并且频率也不相同，所以振动的

原子被看作在弹性介质运动的不同频率的线性谐振子总和。

3. 而爱因斯坦模型的基本思想是各个原子的振动都是相互独立的，互不影响，

并且频率都相等。

8.热容的影响因素

无机材料的热容对材料的结构不敏感，以下针对金属

1. 温度

在极低或极高温度下，自由电子热容的贡献不可忽略

2．相变

液体金属热容比固态大。

一级相变的特征是有体积突变、有相变潜热，如纯金属的三态变化，同素异构转

变，共晶、包晶转变，固态的共析转变。热容发生不连续变化，有突变。可以趋

于无穷。

二级相变的特征是无体积突变、无相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变，如超

导转变。热容在一个温度范围内连续变化，有突变。

3合金元素

合金的热容是每个组元热容与其质量百分比的乘积之和，满足奈曼-柯普定律

高温下该定律具有普遍性，适用于金属化合物，金属与非金属化合物，中间相和

固溶体。热处理能改变合金的组织，但对合金高温下的热容没有明显影响。该定

律对铁磁合金不适用。

4. 亚稳态组织转变

亚稳态转变为稳态时要放出热量，从而导致热容曲线向下拐折（不可逆转变，如

过饱和固溶体的时效，马氏体和残余奥氏体回火转变，形变金属的回复与再结晶

等）

9.热容的三种测量方法

1.量热计法

适用于低温和中温测比热

2.撒克司法

适用于高温测比热

3.斯密特法

适用测比热与转变潜热

10. 热膨胀定义物理本质

定义：物体体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。

物理本质：原子的非简谐振动

如图，设有两个原子，其中一个在b点固定不动，另一个以a点为中心振动，振

动的振幅用虚线1和2表示。当温度由T1到T2时振幅便相应的增大。温度上升

引起振幅增大的同时，振动中心a向右侧移动，因此导致原子间距增大，否则不

会产生膨胀。

11.热膨胀与其他物理量的关系

1.膨胀系数与热容的关系

体膨胀与比定压热容成正比，随温度T的变化关系定性一致。 低温下随温度升

高急剧增大，高温则趋于平缓。

2.膨胀系数与熔点的关系

熔点高的金属具有较低的膨胀系数，金属的德拜温度越小，膨胀系数就越小。

3.膨胀系数与原子系数的关系

IA族元素的α值随Z增加而增大，其余A族元素的α值则随Z增加而减小，

这与键有关，碱金属α值高，过渡族元素α值低，与原子结合力有关，结合力

越大，膨胀系数越小。

12．热膨胀的影响因素

1.相变的影响

一级相变的特征是：体积发生突变，伴有相变潜 热，膨胀系数在转变点无限大。

如三态转变， 同素异构转变等属于一级相变。 二级相变的特征是：无体积突变、

无相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变

2．晶型转变

3.晶态转变

结构紧密的晶体膨胀系数较大，原子间结合力与θD 2成正比，结合力越大，德

拜温度越高，膨胀系数越小

4.各向异性转变

见习题P52-6，记忆

5. 有序-无序转变

6. 铁磁金属

铁磁金属和合金会出现反常膨胀。磁致伸缩抵消了合金正常热膨胀的结果。

13. 热膨胀的测量方法与原理

材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常测其平均线膨胀，核心在于精确测

量在特定温区内的热膨胀量。

膨胀的测量方法：光学式，电测式，机械式

14. 热传导的定义

材料中热量由高温向低温区域传递的现象

15. 热导率与热容

稳定传热：

单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直 面积的热量，λ表征材

料的导热能力。

热导率λ单位W/mK

16热扩散率的关系

不稳定传热

导热能力：λ 储热能力：Cp 热扩

散率：α

17热传导的物理机制

传热不同的传热方式，主要传导方式：

固体：自由电子、声子、光子。

纯金属：电子。

合金：电子、声子。

半导体、半金属：电子、声子。

绝缘体：声子。

格波间相互作用力越强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小 ，

热导率也就愈低

简答题：为什么不用铝做导线？

1节省空间：相同电阻的铝线比铜线粗，（同样长度的情况下）

2抗拉性能。铜比铝密度高。

3稳定性。铜比铝稳定，抗氧化性强，发热很厉害

4可塑性强。

为什么不用铝来传热

1.锅的材料没有使用铝，是因为铝的熔点低不禁烧，容易形成铝颗粒，而且铝元

素对健康不利。

2.铁的合金的硬度系数比较高，而且高温后不易变形。使用寿命长。

3.铁在加热、空气、水、油等反应表面形成氧化成氧化铁，氧化铁不溶与水，不

易和酸碱反应，所以不容易形成离子。

18：热传导的影响因素

1. 温度：温度较低时，主要是声子热传导。自由程则有随温度的升高而迅降低

的特点，纯金属的热导率随温度的升高而降低，合金热导率随温度升高而升

高（有异类原子影响），玻璃体热导率随温度升高而升高。

2. 原子结构

3. 合金成分和晶体结构

杂质原子降低热导率，且基体热导率越大，合金影响越大

4. 气孔率

19.热稳定性的定义、分类，热应力的定义。

材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。

热冲击损坏的类型：

1.抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂；抵抗这一类破坏的性能称为抗热冲击断

裂性

2.抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，

最终碎裂或变质。抵抗这一类破坏的性能称为抗热冲击损伤性

热应力：由于温度变化时物体由于外在约束以及内部各部分之 间的相互约束，

使其不能完全自由膨胀而产生的应力。又称变温应力。一般由热膨胀或收缩引起。

20. 电导的现象与基本定义、公式以及与电阻的关系

21．材料导电的物理本质（金属、半导体、绝缘体的区别）

根据晶体的能带理论,金属晶体中布里渊区一般有重叠,且部分充填。同一区相

邻状态相应的能级非常接近,只要很下的电场就能把电子提升到相邻的较高能

级,导电性好

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