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1、,（34学时，2学分）,材料热力学,Thermodynamics of Materials,主讲教师：肖桂勇 办公室：千佛山校区西配楼101室 Tel: 15806628087/88395966 Email:,主要教材,主要教材： 郝士明，材料热力学，化学工业出版社，2010,微观组织热力学, 西泽泰二著, 郝士明译, 化学工业出版社, 2006,教材配套参考书,推荐！,国际上目前最好的材料热力学著作！经典！ 热力学与材料科学的完美结合！,徐祖耀 主编, 材料热力学，高等教育出版社, 2009,主要参考教材,参考书（中文） 徐祖耀，金属材料热力学，科学出版社，1981 徐祖耀、李麟，材料热力学
2、，科学出版社, 1999, 2004(第三版） 肖纪美、朱逢吾，材料能量学-能量的关系、计算和应用，上海科学技术出版社，1999 李清斌、王晓春编译，合金中的扩散性相变与合金热力学，辽宁科学技术出版社，1984年 徐瑞、荆天辅，材料热力学和动力学，哈工大出版社，2003,参考书(Additional Reference Materials),Grade calculation,平时成绩(20%) ：出勤、课堂表现、作业,期末成绩(80%) ：Final Exam,Chapter 1,Thermodynamics of Materials,Introduction,第一章 Introductio
3、n,1.1 热力学,1.2 材料热力学和材料科学,1.3 课程主要内容,1. 热力学(Thermodynamics),1.1 热力学,2. 动力学(Kinetics),3. 热力学发展史,4. 热力学分类,6. 热力学方法,5. 热力学的普适性,1.1.1 The Definition of Thermodynamics,“Thermodynamics” comes from the two Greek words： “thermos”, meaning heat, “dynamis” meaning power.,The history of thermodynamics was assoc
4、iated with the development and study of steam engines.,热力学（thermodynamics）最初因研究热和机械功相互转化的关系而得名。,Thermodynamics,热力学是研究物质体系的能量及其转换的科学。,Thermodynamics is the field of science that deals with energy and its transformations.,Thermodynamics is one of the most basic sciences with applications in all fields
5、 of engineering and science.,一种观点：,平衡态热力学(体系的热力学力和流均为0)重新命名为“热静力学（Thermostatics）” 非平衡态热力学(涉及体系的热力学力和流)才是名副其实的“热力学（Thermodynamics）Kinetics,Thermodynamics,热力学（Thermodynamics） : 研究过程的可能性。 动力学（Kinetics）: 过程变化速率和变化机理，即过程的现实性。,1.1.2 Kinetics,动力学比热力学要复杂的多，许多领域未开发，研究也极活跃。,任何一个体系，热力学、动力学和物质结构三方面不是彼此孤立而是密切联系的
6、。,1.1.3. 热力学发展史,一门科学的历史，是那门科学中最宝贵的一部分，科学只能给我们知识，而历史却给我们智慧。 (启示科学研究方法，培养创新思维能力),人类很早就对热有所认识，并加以应用。 将热力学当成一门科学且有定量的研究，则是由17世纪末开始的。 在温度计的制造技术成熟以后，才真正开启了对热力学的研究。,从科学观念的历史发展中，从科学家个人的研究经历中，从科学共同体解决某一课题的过程中，都能给人们以有益的启示，甚至能产生未曾料到的灵感。,第二个阶段：19世纪中 - 19世纪70年代末 此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化。由功热互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律和卡诺理
7、论的结合，导致热力学第二定律的成熟。,1.1.3. 热力学发展史,热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：,第一个阶段：17世纪末 - 19世纪中叶 此时期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出蒸气机，对于“热(Heat)”的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立作好了热身。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论(第二定律的前身)和功热互换的原理(第一定律的基础)。这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。,第四个阶段：20世纪30年代 - 现在 主要是量子力学的引进而建立了量力统计力学，同时非平衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论
8、与实验物理学中最重要的一环。,1.1.3. 热力学发展史,第三个阶段：19世纪70年末 - 20世纪初 这个时间内，首先由波尔兹曼(Boltzmann)将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的理论基础，至20世纪初吉布斯(Gibbs)提出系综理论建立统计力学的基础。,诺贝尔化学奖得主姜范恩（John Fenn）打破传统，以其独有的机智和妙语，带给我们这本“非典型”的热力学入门书,本书特有的人文历史架构，使其不但是一部很扎实的入门教本，更成为一部带有科学史纵深的科普佳作。,作者：（美）姜范恩著，李乃信译 出 版 社：东方出版社 出版时间：2009，8,1.1
9、.3. 热力学发展史,1733 到2008年热力学发展的里程碑,1. Daniel Bernoulli 丹尼尔伯努利 (1733) 第一气体分子运动理论 动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。 伯努利方程: p+1/2v2+gh=C. 用撞球模型解释了玻尔定律,2. Count Rumford (1798) 热转化的证明工作，否定热质说,1733 到2008年热力学发展的里程碑,3. Sadi Carnot (1824) 功热转化没有任何问题 热功转化存在局限性: 卡诺指出热只有在存在温度梯度的情况下才可以转化成功（蒸气机中的锅炉和冷凝器） 克拉佩龙
10、则使用了更为简单易懂的图解法，表达出了卡诺循环在P-V图上是一条封闭的曲线，曲线所围的面积等于热机所做的功, 给出了卡诺定理的微分表达式。 理想气体定律 : PV= nRT,1733 到2008年热力学发展的里程碑,4. Mayer迈尔 (1842)德国物理学家 指出能量守恒定律的第一人 5. Joule焦耳 (1843)英国物理学家 将热和功等价量化 6. Lord Kelvin (1849)爱尔兰第一代开尔文 开尔文男爵 使用术语thermodynamics的第一人,1733 到2008年热力学发展的里程碑,7. Rudolf Clausius鲁道夫克劳修斯 (1854)德國物理學家 最初
11、意识到熵在决定过程的可行与否中的重要性 假如有一高温物体体和一低温物体，温度分别为Th和Tl 。,1733 到2008年热力学发展的里程碑,7. Rudolf Clausius (1854) 克劳修斯从原子角度解释了熵 热原子运动. 原子运动包括分子间和分子内的原子运动. 如果所有原子朝一个方向运动, 那么所有的热都可以转化为功 原子运动是随机的, 所以只有部分热可以转化成功,1733 到2008年热力学发展的里程碑,8. Maxwell 麦克斯韦 (1859)英国物理与数学家 通过气体分子运动理论处理从原子性质（平均原子速度）计算宏观性质（压强，粘度）,1733 到2008年热力学发展的里程
12、碑,9. L. Boltzmann路德维希玻尔兹曼 (1871-1877)奥地利物理学家 每种微观状态出现概率相同. 体系的宏观性能是从平均概率得到的. 用微观状态量来表征的宏观性质(无序度) 物质在高温下具有更多的热运动和更高的无序度热无序, 对两个子系统：熵是相加的，但是微观状态是相乘的: S = S1 + S2 (1) W = W1W2 (2) S = B logW (3) S 是熵, W微观状态数目, B 是玻尔兹曼常数.,1733 到2008年热力学发展的里程碑,10. J. W. Gibbs吉布斯 (1884)美国物理学家和化学家 将热力学应用到化学反应和相平衡中 图示法是他的主要
13、思想 热力学的动力学理论处理过程中，他是第一个使用“统计力学”术语的人,1733 到2008年热力学发展的里程碑,11. Nernst 能斯特 (1906)德国物理学家 发现了热力学第三定律 12. A. Einstein阿尔伯特爱因斯坦 (1907)犹太裔理论物理学家 通过他对固体热容的计算，将量子力学引入了统计力学 德拜和爱因斯坦热容模型,1733 到2008年热力学发展的里程碑,13. J.J. Van Laar (1909) 最初开始二元相图的计算 1908 Van: J.J. Van Laar, Z. Phys. Chem., 63, 216 (1908). 14. J.L. Mei
14、jering (1950): 将冯拉尔的工作延伸到多组元体系 1950Mei: J.L. Meijering, Philips Res. Rep., 5, 333 (1950). 1957Mei: J.L. Meijering, Acta Metall., 5, 257 (1957).,1733 到2008年热力学发展的里程碑,15. L. Kaufman (1970): 发表了题为“相图的计算机计算”的专著。 1970Kau: L. Kaufman and H. Bernstein, Computer calculation of phase diagrams, New York: Acad
15、emic Press (1970). 16. M. Hillert (1970): 引入亚点阵模型: 1970Hil: M. Hillert, L.-I. Staffansson: Acta Chem. Scand. 24, 3618 (1970).,1733 到2008年热力学发展的里程碑,17. B. Sundman (1985): 发展了计算多组元体系相图和热力学计算的功能最强的软件 B. Sundman, B. Jansson, J.-O. Andersson: CALPHAD 9(1985) 153. 18. J. Hafner (1996): Hafner 等发布了计算材料性能和过
16、程的VASP程序的最初版 本(VASP-Vienna ab-initio simulation package) 构筑了第一能量原理和计算热力学方法之间的桥梁 G. Kresse et al., Computational Mater. Sci., 6, 15-50 (1996).,平衡态热力学(可逆过程热力学、经典热力学) 统计热力学 非平衡态热力学（线性、非线性非平衡）,1.1.4. 热力学分类,经典热力学研究的对象是平衡态; 许多自然现象和社会现象为非平衡态，所以对非平衡态热力学的研究尤为重要。,热力学分类：,热力学的主要基础是热力学第一定律及第二定律，它们是人类长期实践的经验总结。,热力学具有一定的普适性，它的概念和方法可以应用于一切科学（物理学、化学、生物学）与工程领域，甚至宇宙学和社会科学(包括宗教)。,工程热力学: 应用于机械 化学热力学(物理化学) : 应用于化学现象或与化学有关 的物理现象 材料热力学: 在引述热力学基本原理的基础上，着重以固体材料为例说
