材料的热学性质

---

简介

当固体吸收热能时，就会观察到材料的热学性质。吸收热量后，材料的温度升高，材料的尺寸也随之增加。

在热量作用下，材料的性质包括热容率、热膨胀率以及热导率。热应力也被认为是材料性质的一个重要属性。

什么是材料的热学性质？

材料的热学性质取决于几个因素，例如热量规格、材料的热容、热膨胀率以及热导率。熔点和沸点也会影响材料的热膨胀（Sukontasukkul *等*，2019）。

热学性质也因热扩散率和“抗热冲击率”而异。

图 1：材料的热学性质

在此图中，取两种不同的材料。两种材料的热导率通过 Q 传递。从 T₁ 体，热导率传递到 T₂ 体。

材料性质的类型

可以观察到四种不同类型的材料性质，“材料的机械性能”、“材料的化学性能”和“材料的物理性能”、“材料的尺寸性能”以及“材料的热学性能”也是材料性质的重要类别。

• “材料的化学性能”包括腐蚀抗性、吸湿性、pH 值、反应速率以及金属体的表面张力。

• “材料的物理性能”依赖于材料的密度以及金属体的导电性、光学性能和可燃性。

• “材料的机械性能”包括金属体的电性、延展性、硬度以及韧性。“材料的尺寸性能”完全取决于金属体的尺寸和形状。

材料的热容

热容是指使材料温度变化一度所需的热量。材料的热容可以以焦耳或卡路里的形式存在，而金属体的温度可以用摄氏度或开尔文表示。

为了计算材料的热容率，使用一个简单的公式。

$$\mathrm{Q = m\:c\:\Delta T}$$

在此公式中，Q 指的是材料的热容，以焦耳表示，m 指的是以克计算的质量，C 表示比热，以 J.K^-1 表示。公式中的 ΔT 代表温度变化，以 0_K 表示。

材料的热膨胀

热膨胀是热学性质中最重要的组成部分之一，它指的是材料在施加热量或温度时高度、长度和体积的变化。材料的热膨胀可以发生在面积、体积以及金属体的形状方面（Honorio、Bary & Benboudjema，2018）。

例如，在铁路轨道或道路桥梁上可以看到热膨胀。

材料的热导率

图 2：不同材料的热导率

不同材料的热导率取决于温度或热量。例如，铜的热导率为 399 W/m⁰C，而金的热导率为 317 W/m⁰C。木材的热导率为 0.087 W/m⁰C，玻璃为 0.81 W/m⁰C。

对于液体材料，热导率略低。例如，水的热导率为 0.6 W/m⁰C，乙二醇为 0.26 W/m⁰C（Bruno *等*，2018）。氢气的热导率为 0.19 W/m⁰C，空气的热导率为 0.026 W/m⁰C。可以清楚地看出，材料的热导率取决于密度。

不同材料的热性能系数

不同材料的热性能系数取决于热膨胀率以及金属体尺寸、大小和形状的变化。线性热膨胀的测量遵循公式 Δl/l=αl.ΔT，其中 l 代表材料的物体长度，Δl 表示长度变化，αl 表示线性膨胀系数，ΔT 表示热量变化。

图 3：材料的热性能系数

面积热膨胀遵循公式

$$\mathrm{\frac{\Delta A}{A}=\alpha A.\Delta T}$$

其中 A 代表材料的面积，ΔA 表示面积的变化，αA 表示面积膨胀系数，ΔT 表示热量的变化（Jafarzadeh & Jafari，2021）。

体积热膨胀遵循公式 ΔV/V=αV.ΔT，其中 A 代表材料的体积，ΔV 表示体积的变化，αV 表示体积膨胀系数，ΔT 表示热量的变化。

结论

热应力是材料热学性质的另一个组成部分，它主要通过金属体的热膨胀和热收缩产生。比热也包含在金属体的热学性质中，它指的是金属体被加热的时间持续时间。

常见问题

Q.1 材料的熔点是多少？

答：材料的熔点是指材料开始熔化的阶段。材料的熔点取决于热容。

Q.2 材料的沸点是多少？

答：沸点是指材料开始沸腾时的温度。材料的沸点也取决于热容。

Q.3 材料的热扩散率是多少？

答：热扩散率是指材料的热导率与热容的比率。例如，铜具有最高的热导率，而空气具有最低的热导率。

Q.4 什么是抗热冲击性？

答：抗热冲击性是材料的一个阶段，指的是温度的变化。这个特定阶段指的是材料的抗冲击能力。