材料熱力學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2022-05-10
材料熱力學(xué)的視頻教程
理論+實例講解ANSYS熱力學(xué)分析基礎(chǔ)（二） ——以水壺和太陽能電池板為例講解熱傳導(dǎo)
ANSYS WorkBench熱力學(xué)分析，主要通過如下兩個例題來講解熱傳導(dǎo)： 例題一、使用穩(wěn)態(tài)分析裝入開水的茶壺的熱分布和熱流量，對比陶瓷材料和鋼材作茶壺材料的熱力學(xué)特性。
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材料熱力學(xué)的實例教程
隨著新材料的大量涌現(xiàn)，經(jīng)驗型的強(qiáng)度準(zhǔn)則層出不窮，作者認(rèn)為可以利用熱力學(xué)狀態(tài)失穩(wěn)性判據(jù)發(fā)展統(tǒng)一的強(qiáng)度評價方法和準(zhǔn)則，很可能改變工程中長期采用的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計和評估的規(guī)范和方法。
進(jìn)一步的研究也發(fā)現(xiàn)，基于局域本構(gòu)方程的傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法很難對于變形局域化的行為進(jìn)行正確的預(yù)報，而基于作者發(fā)展的連續(xù)統(tǒng)熱力學(xué)的方法，不需要針對不同的材料建立其本構(gòu)方程，而只需利用變形過程中能量驅(qū)動力和阻力就可以實現(xiàn)對其在外載作用下變形局域化的行為進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報。利用金屬長桿在拉伸載荷作用下變形的頸縮行為作為例子，通過引進(jìn)金屬材料的塑性耗散能可以準(zhǔn)確地預(yù)報出這一現(xiàn)象，不需要利用材料的本構(gòu)方程。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（Grant Nos. 11832019，11472313，13572355）資助。
下載地址：材料熱力學(xué)郝士明
展開 圖1 一些自組織現(xiàn)象
目前，熱動力學(xué)不再僅僅是研究熱現(xiàn)象基本規(guī)律的科學(xué)，它和系統(tǒng)理論、非線性科學(xué)、生命科學(xué)、宇宙起源等密切相關(guān)，其應(yīng)用涉及物理學(xué)、化學(xué)、生物、工程技術(shù)，以及宇宙學(xué)和社會學(xué)科[1]。
2.材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展
現(xiàn)代材料科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展一直受到熱力學(xué)的支撐和幫助，材料熱力學(xué)是經(jīng)典熱力學(xué)與統(tǒng)計熱力學(xué)理論在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，其形成和發(fā)展正是材料科學(xué)走向成熟的標(biāo)志之一。
從1876年Gibbs相律的出現(xiàn)，1899年H. Roozeboom把相律應(yīng)用到多組元系統(tǒng)，1900年，Roberts-Austen構(gòu)建了Fe-Fe3C相圖的最初形式，為鋼鐵材料的研究提供了理論支撐；再到20世紀(jì)初，G. Tamman等通過實驗建立了大量金屬系相圖，有力推地動了合金材料的開發(fā)；50年代初R. Kikuchi提出了關(guān)于熵描述的現(xiàn)代統(tǒng)計理論，為熱力學(xué)理論和第一性原理結(jié)合起來創(chuàng)造了條件；60年代初M. Hillert等對于非平衡系統(tǒng)熱力學(xué)的研究，導(dǎo)致了失穩(wěn)分解領(lǐng)域的出現(xiàn)，豐富了材料組織形成規(guī)律的認(rèn)識；70年代由L. Kaufman、M. Hillert等倡導(dǎo)的相圖熱力學(xué)計算（CALPHAD），使材料研究逐漸進(jìn)入到根據(jù)實際需要進(jìn)行材料設(shè)計的時代[2]。
展開 熱力學(xué)是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域不可或缺的組成部分之一。成功的材料與加工工藝設(shè)計都需要可靠的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。以往，材料的熱力學(xué)性能主要通過實驗手段獲得，例如 差熱分析，化學(xué)分析，X射線衍射和能譜分析。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料中的組元數(shù)越來越多，實驗測定熱力學(xué)數(shù)據(jù)也越來越困難，并且難以在有限的時間里獲得足夠的數(shù)據(jù)?；贑ALPHAD方法的熱力學(xué)計算正是解決這一難題的最好辦法。它可以從低組分材料體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)來計算多組分體系的熱力學(xué)性能以節(jié)約時間和成本，或者通過實驗容易準(zhǔn)確測定的實驗數(shù)據(jù)來推測極端條件下（高溫、高壓和放射性等）或者實驗難以準(zhǔn)確測定的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。
CALPHAD方法基于熱力學(xué)理論，根據(jù)各個組成相（包括氣相，液相，固溶體和化合物）的晶體結(jié)構(gòu)建立熱力學(xué)模型，通過評估篩選一定溫度壓力下的多元材料體系的實驗及理論計算（包括第一性原理計算、統(tǒng)計學(xué)方法和經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式）數(shù)據(jù)，擬合優(yōu)化模型參數(shù)，確定體系中每一個相吉布斯（Gibbs）自由能，并最終建立多元多組分材料體系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。 圖1為CALPHAD方法流程示意圖。CALPHAD方法是目前唯一可以計算多元體系熱力學(xué)性質(zhì)并能滿足實際應(yīng)用精度要求的熱力學(xué)計算方法。它還是材料動力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)演變模擬的熱力學(xué)基礎(chǔ)。因此，CALPHAD方法廣泛地應(yīng)用于新材料研制和新工藝的設(shè)計之中。
圖1為CALPHAD方法流程示意圖 [1]
本文將介紹CALPHAD方法在傳統(tǒng)合金合金設(shè)計，高熵合金的開發(fā), 3D打印，鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用
1. 傳統(tǒng)合金合金開發(fā)
金屬間化合物NiAl在高溫合金領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，但是較差的延展性極大地限制了其應(yīng)用。Kainuma等人[2]利用CALPHAD方法和實驗確定的Ni-Al-Fe體系的相圖(圖2a)，確定了NiAl、Ni 固溶體和Ni3Al相的組分區(qū)間。
展開 研究紡織材料在不同溫度下內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化規(guī)律，對其合理加工和正確使用有重要意義。纖維性質(zhì)在溫度轉(zhuǎn)變點前后表現(xiàn)有明顯不同，用不同的溫度轉(zhuǎn)變點來表征。從研究的內(nèi)容看主要有熱力學(xué)性質(zhì)、熱定形、熱破壞等。
熱力學(xué)性質(zhì)，是指在溫度的變化過程中，紡織材料的力學(xué)性質(zhì)隨之變化的特性。絕大多數(shù)纖維材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈兩相結(jié)構(gòu)，即晶相（結(jié)晶區(qū)）和非晶相（無定形區(qū)）共存。對于晶相的結(jié)晶區(qū)，在熱的作用下其熱力學(xué)狀態(tài)有兩種：一種是熔融后的結(jié)晶態(tài)，其力學(xué)特征表現(xiàn)為剛性體，且具有強(qiáng)力高、伸長小、模量大的特性；另一種是熔融后的熔融態(tài)，其力學(xué)特征表現(xiàn)為黏性流動體。兩者可以用熔點來區(qū)分。對于非晶相的無定形區(qū)，在熱的作用下其熱力學(xué)狀態(tài)有脆折態(tài)、 玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，分別按變形能力的大小采用脆折轉(zhuǎn)變溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、黏流轉(zhuǎn)變溫度來劃分。
一、纖維材料的熱力學(xué)三態(tài)
對于線型高聚物，材料非晶相的黏流轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶的熔點常互相重合，很難區(qū)分，所以測量纖維的熱力學(xué)性質(zhì)時首先表現(xiàn)出來的變化是非晶相的變化，其典型曲線發(fā)圖1所示
圖1 纖維材料的典型熱力學(xué)曲線
圖1是在恒應(yīng)力條件下纖維的變形能力（實線）和拉伸模量（虛線）隨溫度變化的過程，其轉(zhuǎn)折點分別為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg, 和黏流轉(zhuǎn)變溫Tf, 且轉(zhuǎn)變溫度都有一個區(qū)段，這是非晶態(tài)高聚物所物有的力學(xué)三態(tài)特征。其中，多數(shù)合成纖維的力學(xué)三態(tài)特征比較明顯，而天然纖維（棉、麻、毛、絲）及再生纖維素纖維等在某些升溫速率下（高溫時）不呈現(xiàn)比較明顯和黏流態(tài)特征，而直接分解、炭化。
展開 在高分子材料的廣闊領(lǐng)域中，PVT 曲線作為一種關(guān)鍵的研究工具，正逐漸展現(xiàn)出其不可忽視的重要性。PVT 曲線，即聚合物材料的壓力（Pressure）、體積（Volume）和溫度（Temperature）之間的關(guān)系曲線，它如同一個微觀世界的解碼器，為我們揭示了高分子材料在不同條件下的物理行為奧秘，對高分子材料的研發(fā)、加工以及產(chǎn)品質(zhì)量控制都起著舉足輕重的作用。
一
高分子材料的獨特 “指紋”
（一）PVT 關(guān)系的本質(zhì)
聚合物的 PVT 關(guān)系，是其自身固有的基本物理特性之一，描述了材料體積隨溫度和壓力變化的規(guī)律。對于一定量的塑膠材料而言，壓力、體積和溫度這三個參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一種狀態(tài)函數(shù)關(guān)系。也就是說，當(dāng)其中任意兩個參數(shù)確定時，第三個參數(shù)也就隨之確定，且這一關(guān)系只取決于材料的最終狀態(tài)，與達(dá)到該狀態(tài)的過程無關(guān)。這種內(nèi)在聯(lián)系，如同材料的獨特 “指紋”，反映了高分子材料在不同熱力學(xué)條件下的本質(zhì)特征。
從微觀角度來看，高分子材料是由大量的高分子鏈組成。溫度的變化會影響高分子鏈的熱運(yùn)動，當(dāng)溫度升高時，分子熱運(yùn)動加劇，分子間的距離增大，從而導(dǎo)致材料的體積膨脹；反之，溫度降低，分子熱運(yùn)動減弱，體積收縮。而壓力的作用則是對分子間的距離進(jìn)行 “擠壓” 或 “釋放”，增加壓力會使分子間距離減小，材料體積縮?。唤档蛪毫Γ肿娱g距離又會增大，體積相應(yīng)增大 。例如，在高溫環(huán)境下，原本緊密排列的高分子鏈會因熱運(yùn)動變得活躍，彼此之間的距離拉開，材料的體積隨之增大；若此時施加壓力，又能將這些 “活躍” 的分子鏈重新 “壓縮” 到相對緊密的狀態(tài)，減小體積。
（二）PVT 曲線的類型
根據(jù)材料的結(jié)晶特性，PVT 曲線主要分為無定形材料和結(jié)晶型（包括半結(jié)晶型）材料兩種典型類型。
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材料熱力學(xué)的最新內(nèi)容
代碼不僅復(fù)現(xiàn)了PD領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)算例（彈性問題驗證），更進(jìn)一步拓展到了熱力學(xué)、復(fù)合材料及跨尺度耦合算法。適合作為研究生的科研底座、畢業(yè)設(shè)計參考或PD算法的深度進(jìn)階學(xué)習(xí)資料。
基礎(chǔ)理論實現(xiàn)：
鍵基 PD (BBPD)：最經(jīng)典的鍵基模型，適用于脆性材料破壞分析。
物理老化是非晶態(tài)聚合物在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下使用、存放過程中發(fā)生的一種小尺度分子鏈段重排行為，會影響材料的熱力學(xué)和機(jī)械性能。這是一種小尺度運(yùn)動單元運(yùn)動引起的次級松弛現(xiàn)象。
MSC Nastran憑借其在熱傳導(dǎo)模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強(qiáng)大能力，將有效突破復(fù)合材料熱力學(xué)分析的瓶頸，助力提升設(shè)計精度與產(chǎn)品可靠性。
本期直播講堂請到了?？怂箍到Y(jié)構(gòu)仿真軟件應(yīng)用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點講解MSC Nastran在復(fù)合材料熱分析及熱機(jī)耦合分析方面的各項功能，并以多個應(yīng)用案例展示其在解決復(fù)合材料熱力學(xué)分析難題的創(chuàng)新之處。敬請關(guān)注！
<p class="ql-align-center">——V2025摩擦熱計算功能與Particleworks聯(lián)合仿真實踐</p><p>熱傳遞是工程系統(tǒng)設(shè)計與可靠性的核心挑戰(zhàn)，無論是齒輪嚙合、剎車制動，還是電機(jī)冷卻，精準(zhǔn)預(yù)測熱量的產(chǎn)生（如摩擦生熱）與耗散（如油冷散熱）都至關(guān)重要。RecurDyn 2025 通過革命性的<strong>摩擦生熱功能</strong>與<strong>Particleworks
這種內(nèi)在聯(lián)系，如同材料的獨特 “指紋”，反映了高分子材料在不同熱力學(xué)條件下的本質(zhì)特征。
從微觀角度來看，高分子材料是由大量的高分子鏈組成。溫度的變化會影響高分子鏈的熱運(yùn)動，當(dāng)溫度升高時，分子熱運(yùn)動加劇，分子間的距離增大，從而導(dǎo)致材料的體積膨脹；反之，溫度降低，分子熱運(yùn)動減弱，體積收縮。
它們具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久、智能等多重優(yōu)點而 且，一般而言，材料和結(jié)構(gòu)通常都是在高溫和有限制的環(huán)境中使用，在這種
情況下必須考慮材料和結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)性能。顯然，對這類材料和結(jié)構(gòu)的研究不能完全套用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，而需要發(fā)展相關(guān)的理論來合理描述材料的力學(xué)性能。
熱彈性力學(xué)的應(yīng)用，在科學(xué)技術(shù)中有重要的意義。
本貼的內(nèi)容是關(guān)于LS-DYNA的高級應(yīng)用，基于真實多相材料的物質(zhì)分布進(jìn)行建模，從而真實模擬多相物質(zhì)的動力學(xué)特性的技術(shù)。
以混凝土材料為例。
首先，獲取CT數(shù)據(jù)。這邊有一個關(guān)于CT數(shù)據(jù)的開源網(wǎng)站https://www.digitalrocksportal.org/
獲取到raw文件后，用avizo軟件打開，并生成二值化的
關(guān)鍵詞：pKa,高精度熱力學(xué)計算，DFT，Gaussian，量子化學(xué)
胺類化合物在化學(xué)、藥物化學(xué)和生物化學(xué)中扮演著重要角色，它們不僅廣泛應(yīng)用于藥物設(shè)計、催化反應(yīng)、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域，而且其酸堿性質(zhì)直接影響分子的溶解度、生物利用度和代謝途徑。因此，準(zhǔn)確預(yù)測胺類分子的 pKa 值，對于理解其酸堿行為和調(diào)控其化學(xué)反應(yīng)性具有重要意義。pKa 值反映了分子在水溶液中的酸性或堿性強(qiáng)度，通常通過實驗測定，但實驗方法常常受到溶劑效應(yīng)
以往的視頻中為了科普一些流體力學(xué)現(xiàn)象，常常會給大家做計算機(jī)仿真分析，臺式機(jī)不夠用時，筆記本偶爾也是要上場跑一跑的，這時就會聽到它發(fā)出的呼呼風(fēng)聲。
與其說這是風(fēng)聲，不如說是筆記本的救命聲！做CFD計算這種高負(fù)載工作時CPU發(fā)熱量會急劇增加，若散熱不及時，輕則觸發(fā)溫度墻保護(hù)使之反應(yīng)速度變慢，重則藍(lán)屏死機(jī)。
但有時我們還不得不讓筆記本承擔(dān)這高負(fù)荷的工作，比如搞科研的時候和準(zhǔn)備搞科研的時候
一場猛烈的降溫，讓北方的同學(xué)以及在南方生活的北方同學(xué)徹底告別了短袖，羽絨服、大棉襖逐漸成為保命必需品。但你有沒有覺得，衣服穿著穿著就不那么暖了。為什么，這衣服還有救嗎？研究研究。
保暖的本質(zhì)是阻礙熱量的傳遞。熱量傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。
而只要你不光膀子，通過熱對流和熱輻射散熱的占比很低，所以衣服保暖與否主要看熱傳導(dǎo)。衡量熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵參數(shù)叫導(dǎo)熱系數(shù)，越大，傳熱本領(lǐng)越強(qiáng)
