第二章 材料的热学
1. 讨论为什么高温下非密排结构晶体是稳定相，而低温时，密排结构晶体却为
稳定相？
1.高温下原子活动能力较强，为了满足高温下原子平衡跳动的需要，原子间距要大，所以为非密排结构；低温时，原子活动性弱，原子间距小，在最低能态的条件下，原子尽量以密排方式。

2. 如图，比较铜和铁的热传导系数随温度的变化情况，讨论为什么铜在1084℃、
铁在912℃会出现跳跃？
2.铜在1084℃、铁在912℃会出现相变，晶体结构有变化。

铜的热传导系数出现跳跃是因为在此温度下铜由固态变成了液态，发生了相变，由于吸热使得单位时间内通过单位垂直面积的热量骤减，故热传导系数骤减；而铁在912℃由α-Fe 转变成γ-Fe ，晶体结构发生改变，热传导系数骤增，出现跳跃。

3. 进一步讨论晶体结构是如何影响热膨胀系数的？举例说明。

3、物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象称为热膨胀（thermal expansion ）用先膨胀系数、体膨胀系数表示。

线（体）膨胀系数指温度升高1K 时，物体的长度（体积）的相对增加。

由于晶体结构类型变化伴随着材料比体积发生引起线膨胀系数发生不连续变化。

例如，有序—无序转变时，伴随着膨胀系数的变化，在膨胀曲线上出现拐折，其中Au —Cu50%（质量分数）的有序合金加热至300℃时，有序机构开始破坏，450℃完全变为无序结构。

在这个温度区间，膨胀系数增加很快，在450℃处，膨胀曲线上出现明显的拐折，拐折点对应于有序—无序转变温度。

从曲线可以看出，有序结构具有较小的膨胀系数，这是Cu
Fe 温度，℃/
热
传导
系
数 ℃/mm 0.4
0.2
题2图 热传导系数与温度关系
由于有序结构使合金原子间结合力增强的结果。

4. 根据题4图，如果变化相同的 T ，说明哪种材料的热膨胀系数更大，哪种材
料的熔点更高，为什么？
4、B 的热膨胀系数更大，A 的熔点更高。

材料的热膨胀与点阵中质点的位能有关，而质点的位能是由质点间的结合力特性所决定。

质点间结合力越强的材料，其位阱越深而狭(即键能更高)，升高同样温度质点振幅增加得越少，因此热膨胀系数也越小。

键强高的材料具有低的热膨胀系数，A 的键能大于B 的键能，故A 具有更低的热膨胀系数。

由于A 的键能更高，要破坏其键合需要更高的温度，故其熔点更高。

5. 讨论为什么具有高度取向化的聚合物材料，在取向轴方向的热膨胀系数为负
值？
5、物体的体积或者长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。

高度取向化的聚合物在其结构上出现高度各向异性，当温度升高时，其取向轴缩短，其他方向增大，故取向轴方向热膨胀系数为负数。

6. 热传导的主要机理有哪些？金属、无机非金属、高分子材料的热传导有何不
同？
6、气体传递热能方式是依靠质点间的直接碰撞来传递热量； 固体中的导热主要是由晶格振动（晶体中点阵的质子\原子\离子总是绕着平衡位置做微小振动）的格波（声频支格波被看成一种弹性波，类似于固体中传播的声波，因此把声频波的量子称为声子；高温时光频支格波称光子）和自由电子的运动来实现的。

纯金属：导热主要靠自由电子（由自由电子论知，金属中的自由电子可以视为自由电子间距 能量
A
B
题4图 材料的键－能图
气），能够迅速实现热传递。

而合金导热要同时考虑声子的导热贡献。

无机非金属材料：当它存在温度梯度的时候，温度高处的质点振动较强、振幅较大和温度地处振动较弱的质点相互作用，带动振动弱的点，这样热量从高温传向低温。

因此，导热主要靠晶格振动的格波即声子和光子（高温下）。

高分子材料：对于大多数聚合物都是饱和体系，无自由电子的存在，所以热传递是晶格振动的结果即热能载者是声子。

7.对同一种材料进行快速加热与快速冷却，哪个过程导致热冲击的可能性更
大？为什么？
7、由于急剧加热或冷却，使物体在较短的时间内产生大量的热交换，温度发生剧烈的变化时，该物体就要产生冲击热应力，这种现象称为热冲击。

快速冷却导致热冲击的可能性更大。

快速加热时，材料外表温度比内部高，则外表膨胀比内部大，但相邻的内部的材料限制其自身的膨胀，因此表面材料受压缩应力，而相邻内部材料受拉伸应力；迅速冷却时，表面受拉应力，相邻内部材料受压缩应力，若能达到材料的极限抗拉强度，则前后二表面将开裂，故受到的热冲击更大。

8.经常需要在金属构件上涂覆陶瓷釉来装饰或保护金属免受腐蚀，一般而言，
釉都是在较高温度下涂覆到金属上去的，讨论在室温下釉层中的残余应力。

8、通常，陶瓷釉层的膨胀系数比胚体（金属）的膨胀系数小，在较高温度下涂覆到金属上去后在冷却直到室温时，陶瓷釉层的收缩你金属的收缩要小，故陶瓷釉层受到压应力。

9.对“相同体积下，具有较高比热的材料也具有较高热容量”的观点进行评述。

9、这种说法是不正确的。

比热：单位质量的热容；热容：在不发生相变和化学反应时，材料温度升高1K时所需要的热量。

由二者定义知：比热、热容的关系热容=比热*质量。

因为，体积相同的多种物质，其质量不一定相同。

一种物质具有较高的比热，但它的质量有可能较小，则质量和比热之积有可能较小。