熱力學的案例
材料強度預報的熱力學理論 附材料熱力學郝士明下載
進一步的研究也發現，基于局域本構方程的傳統連續介質力學的方法很難對于變形局域化的行為進行正確的預報，而基于作者發展的連續統熱力學的方法，不需要針對不同的材料建立其本構方程，而只需利用變形過程中能量驅動力和阻力就可以實現對其在外載作用下變形局域化的行為進行準確的預報。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，通過引進金屬材料的塑性耗散能可以準確地預報出這一現象，不需要利用材料的本構方程。
該項研究得到了國家自然科學基金項目（Grant Nos. 11832019，11472313，13572355）資助。
下載地址：材料熱力學郝士明
熱力學計算在材料科研中可以有哪些用途 了解一下？
熱力學是材料科學與工程領域不可或缺的組成部分之一。成功的材料與加工工藝設計都需要可靠的熱力學數據。以往，材料的熱力學性能主要通過實驗手段獲得，例如 差熱分析，化學分析，X射線衍射和能譜分析。但是隨著科學技術的不斷進步，材料中的組元數越來越多，實驗測定熱力學數據也越來越困難，并且難以在有限的時間里獲得足夠的數據。基于CALPHAD方法的熱力學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數據來計算多組分體系的熱力學性能以節約時間和成本，或者通過實驗容易準確測定的實驗數據來推測極端條件下（高溫、高壓和放射性等）或者實驗難以準確測定的熱力學數據。
CALPHAD方法基于熱力學理論，根據各個組成相（包括氣相，液相，固溶體和化合物）的晶體結構建立熱力學模型，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、統計學方法和經驗、半經驗公式）數據，擬合優化模型參數，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數據庫。 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性質并能滿足實際應用精度要求的熱力學計算方法。它還是材料動力學、微觀結構演變模擬的熱力學基礎。因此，CALPHAD方法廣泛地應用于新材料研制和新工藝的設計之中。
圖1為CALPHAD方法流程示意圖 [1]
本文將介紹CALPHAD方法在傳統合金合金設計，高熵合金的開發, 3D打印，鋰離子電池領域的應用
1. 傳統合金合金開發
金屬間化合物NiAl在高溫合金領域極具應用前景，但是較差的延展性極大地限制了其應用。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相的組分區間。
展開 上海大學李重河教授團隊最新進展：應用于新型鈦合金設計Ti-Al-Fe-V四元體系的熱力學評估
鈦合金熱力學評估
鈦及鈦合金作為重要的輕量化結構材料，因其優異的性能被廣泛應用于航空航天、海洋工程、生物醫學等領域。例如，Ti-1023合金被應用于波音747的起落架連桿、波音757的轉軸軸承殼體、空客A320的外掛梁支持系統和空客A380的起落架等。然而，關于該體系的熱力學描述卻鮮有報道。
本文應用CALPHAD (CALculation of PHAseDiagram，計算相圖)方法建立了Ti-Al-Fe-V四元系的熱力學數據庫。同時，提出了CALPHAD和Mo當量相結合的鈦合金設計方法，并設計了三種鈦合金：α型(Ti-6Al-3.5V-1Fe)、α+β型(Ti-3Al-22.75V-6.5Fe) 和β型(Ti-4.5Al-10.5V-3Fe)鈦合金。
[研究內容]
首先對Ti-Al-Fe、Ti-Al-V和Al-Fe-V等已有熱力學描述的子三元系進行了回顧。然后對Ti-Fe-V子三元系進行實驗數據挖掘，并對其包含的所有相建立熱力學模型，使用Pandat進行熱力學優化，最終得到Ti-Fe-V子三元系的熱力學描述。圖1是計算的Ti-Fe-V子三元系在1273K和1473K的等溫截面，可以看出計算結果與實驗數據基本相符。圖2是計算的Ti-Fe-V子三元系的液相投影面。根據目前已有的報道可知Ti-Al-Fe-V四元系中不存在四元新相，本文采用了Muggianu模型直接從四個子三元系的熱力學描述外推建立Ti-Al-Fe-V四元系的熱力學數據庫。
圖1. 計算Ti-Fe-V子三元系的等溫截面：(a)1273 K；(b) 1473 K
圖2.
展開 纖維材料的熱力學三態
上述從分子運動學觀點描述了熱力學三態，從相態角度看，玻璃態、高彈態和黏流態均屬非結晶相，即大分子間的排列狀態呈無規（無序、非晶）狀態。
來源：紡織干貨
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通
張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part1.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part2.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part3.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part4.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part5.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part6.rar
ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通_12636670_北京市：機械工業出版社_2010.07_王澤鵬，張秀輝，胡仁喜等著_Pg491.part7.rar
視頻下載地址http://pan.baidu.com/s/1xfLY5
積分不足請留下您的郵箱
展開 熱力學分析
009熱力學分析
009熱力學分析.part1.rar
009熱力學分析.part2.rar
從經典熱力學到CALPHAD和ICME方法 材料設計和開發時代已經離我們越來越近
新材料的發現和改性逐漸由反復的試驗探索發展到基于熱力學和動力學的材料設計方法。目前，國內外材料設計和開發通常采用經典熱力學（Classical Thermodynamics）、CALPHAD（Calculation of Phase Diagrams）模擬和集成計算材料工程（ICME，Integrated Computational Materials Engineering）三種方法。
經典熱力學理論討論特定的 “孤立” 系統，對材料設計和改善提供定性理論指導。幾十年來，基于經典熱力學的相變形核理論一直是合金開發的基礎，例如，利用形核理論來選擇合適的微合金化元素，以此來改善基體的機械性能。形核理論最初由 Volmer 、 Weber 等人在氣相研究中提出，Turnbull 、Fisher將其應用到凝聚系統的均質形核，后來引入f（θ）函數修正后擴展到異質形核，該理論包括：
其中，N 為形核率，γ 為界面能，θ 為潤濕角，ΔGV 為單位體積自由能差，ΔGV 只與固、液相的摩爾自由能有關，但在實際溶液中由于過量自由能的存在使得它對大多數合金不適用， Youdelis 等人研究得出，對于正規溶液模型，當過冷度 ΔT 較小時，ΔGV ≈ - ΔSV ΔT， ΔSV 是系統的熵變， ΔS=ΔSF+ΔSM，
其中，x為摩爾分數，S為純固、液相的摩爾熵，R為氣體常數。
最近，橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的Ying Yang等人通過傳統經濟的鑄錠冶金方法開發出一種新型的Cu基Cu-Cr-Nb-Zr合金[1]。
展開 新型無油渦旋壓縮機內部熱力學特性和性能測試
孫健,彭斌,朱兵國.新型無油渦旋壓縮機內部熱力學特性和性能測試[J/OL].吉林大學學報(工學版),2022(12):2778-2787[2022-12-10].
摘要：
基于變質量系統熱力學和控制容積法，構建了渦旋壓縮機工作過程熱力學模型。基于 計算流體動力學方法對渦旋壓縮機內部流場進行三維非穩態數值模擬計算，得到了渦旋壓縮機工作腔內 流體溫度、壓力、速度以及進出口流量的變化規律，并通過所搭建的試驗平臺測試了試驗樣機在不同排氣壓力時的進/出口流量、排氣溫度和機體振動值的變化趨勢。結果表明：同時考慮泄漏和熱傳遞的熱力學模型更加符合渦旋壓縮機的實際工作過程，由于相鄰工作腔之間的質量交換，工作腔內的溫度和流速分布不均勻；在不同排氣壓力下，渦旋壓縮機進、出口容積流量最大差值為0.15 m3 /min，渦旋壓縮機排氣口溫度最大溫差為19 ℃。
0 引言
在食品、醫療和燃料電池等領域中由于對所使用工質流體品位的要求較高，使用含油式的壓縮機會降低空氣的品位，即使使用油氣分離器也無法徹底消除工質流體中的潤滑油，反而會增加壓縮氣體的成本，因此含油式的壓縮機不適用于對流體品位要求很高的領域。為了解決這個問題，很多研究者開發和設計出了渦旋式、螺桿式、轉子式以及離心式等多種不同類型的無油壓縮機。由于渦旋壓縮機結構簡單、運動部件少、運行噪音遠低于其他類型的空壓機，因此適合于對流體品位有較高要求的場合和機械［1，2］。
目前，國內外許多學者通過數學模型、數值模擬與試驗驗證相結合的方法對渦旋壓縮機進行了大量研究。對于渦旋齒型線的研究和優化是提高渦旋壓縮機基本工作性能的首要方法和手段，也是目前研究的一個熱點［3，4］。文獻［5，6］構建了同時考慮泄漏和傳熱的渦旋壓縮機熱力學模型，并通過試驗分析了壓縮機數學模型和實際工作過程存在偏差的原因。
展開 【EDF開源CAE 】應用Code_Aster模擬核電閥門在熱沖擊下的熱力學響應
對此實驗的模擬包括流體力學、熱力學和力學三部分。流體力學部分在code_saturne上完成，本文討論的熱力學和力學部分在Code_Aster上完成。我們利用試件的對稱性，在建模中僅模擬了結構的1/2；對于熱沖擊，忽略多次熱沖擊所造成的累積殘余變形，僅關注試件在一個285℃ – 60℃ – 285℃溫度交替變化作用下的熱力學響應。熱力學模擬所得到的溫度變化結果作為外力條件用于力學計算中，從而得到閥門中不同構件的應力與變形情況。
03
熱力學分析部分
熱量的傳遞包括傳導、對流和輻射三種基本形式，本案例中僅涉及前兩者。在2015年進行的第一次數值模擬中，我們假定各部件緊密貼合，不考慮管道中流體流動性所造成的對流傳熱，熱量在閥門內部完全通過接觸傳導方式傳遞；在第二次數值模擬中，增加了“閥體與閥籠之間的間隙中熱量以對流方式傳遞”的邊界條件。
經模擬，對于閥門中的絕熱構件，模擬結果與試驗結果匹配度良好；對于螺栓，第二次的模擬結果改善了第一次模擬中溫度變化較試驗結果有所延遲的問題（圖3）。閥門上部的溫度較試驗結果高約30~40℃（圖4），這可能是模型相對簡單，未充分考慮其他形式的傳熱方式導致的。
圖 3. 實驗與數值模擬中閥門螺栓溫度隨時間變化曲線
圖 4. 實地實驗與數值模擬中閥門上部溫度隨時間變化曲線
（285℃ →60℃階段）
04
力學分析部分
在模擬分析閥門的力學特性時，重新劃分了有限元單元。
展開 ：通過構筑熱力學不穩定性和動力學穩定性實現彈性體修復后變強
總結：作者利用離聚物以及聚電解質類材料的熱力學不穩定的特質，從分子設計上引入大位阻，制備了在常溫下動力學穩定但熱力學不穩定的材料。當動力學穩定性被熱或者力刺激破壞后，熱力學不穩定性使得材料中未配對的離子進行配對進而形成更多更大的聚集體，這些聚集體作為更強的物理交聯點賦予材料更強的力學性能。從而真正實現了像生物材料一樣的超量恢復行為。
該工作被發表在Materials Horizons雜志上（Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00638J），第一作者為博士生彭燕，通訊作者為吳錦榮教授。該工作由國家自然科學基金（51873110）和四川省科技計劃項目（2021JDJQ0018）。
原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00638j#!divAbstract
展開 基于Gaussian高精度熱力學方法計算胺類分子的pKa
本案例設計DAP-2H電離的熱力學循環，輔助高精度完備基(Complete Basis Set, CBS)方法CBS-QB3計算了DAP-2H分子的酸堿性pKa。計算結果符合實驗預期，這得益于我們選用了更昂貴的高精度熱力學計算方法。
圖1 2,3-二氨基吩嗪(DAP) 和DAP2H優化后的結構以及的氧化還原反應
DAP-2H的pKa計算
在如表1所示的計算級別下，分別計算各個分子/離子的吉布斯自由能。根據圖2 所述熱力學循環,計算DAP-2H的酸堿性pKa。
有限元程序-熱力耦合彈性動力學 ￥19.89
摘要
熱力耦合的應用在科學技術中有重要的意義。熱應力和它所引起的強度、剛度問題，在航空、航天和核反應堆工程的設備和構件上的重要性是不言而喻的。所以我們要對其進行研究和求解。
本文采用線性有限元建模技術對熱環境下的梁結構建模，求解一個線性熱彈性問題。在熱彈性狀態下，溫度場與機械場不耦合，而機械場取決于溫度，因為熱彈性本構關系中存在熱應變。這種情況可以描述為弱熱力耦合。本報告將討論瞬態演化問題的完全熱力耦合。在給出溫度場的基礎上，給定彈性力學的邊界條件和初始條件后求解熱彈性運動微分方程，得到熱位移場。然后，再由溫度場和熱位移場，根據應力、應變和溫度關系的本構方程，求出熱應力 場。通過分析得出，由于左右橫向邊界ΔT=+50 的均勻溫升，隨著溫度的增加機械場中的形變量增大，進而使應力增加。
關鍵詞 耦合熱彈性;線性有限元建模;本構方程
1.1課題背景
隨著人類文明的進步和科學技術的迅速發展，傳統的單一功能材料已經不能滿足科學技術和工程實際的需求。20 世紀以來，許多高性能的新型材料開始
扮演著越來越重要的角色。它們具有輕質、高強、耐久、智能等多重優點而 且，一般而言，材料和結構通常都是在高溫和有限制的環境中使用，在這種
情況下必須考慮材料和結構的熱力學性能。顯然，對這類材料和結構的研究不能完全套用經典的連續介質力學理論，而需要發展相關的理論來合理描述材料的力學性能。
熱彈性力學的應用，在科學技術中有重要的意義。熱應力和它所引起的強度、剛度問題，在航空、航天和核反應堆工程的設備和構件上的重要性是不言而喻的。
展開 顛覆“熱力學第二定律”！
研究展示了負溫度下光子之間的熱力學過程，實現負溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實現超過100%的卡諾效率。熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。如此，在負溫度下，這一切都將被顛覆，有望實現更高效的發動機。
相關成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發表于《Science》。
熱力學試驗臺示意圖
通過控制光子晶格，實現了21種模式的激發，并對其中的10種模式進行研究。作者觀測到正溫度和負溫度，并在實驗中驗證了理論預測。光經過非線性光纖進行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負溫度條件下，光子之間達到熱平衡的過程。由于系統中可用狀態的數量是有限的，觀測到的負溫度狀態是穩定的熱平衡狀態。
觀測正溫度和負溫度
該研究利用光學平臺模擬了負溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過程，并且測量了每個過程中光子能量和體積（波長）的變化。等壓膨脹時，保持壓強不變，光子能量增加而體積減小；等容壓縮時，保持體積不變，光子能量減小。在負溫度區域，由于低溫系統比高溫系統具有更高的平均能量密度，熱量會從低溫流向高溫，這些現象與正溫度區域相反。這意味著，在負溫度區域運行一個類似于卡諾循環的過程，可以實現超過100%的卡諾效率。
展開 手搟面加工過程中的非線性力學及熱力學問題
作者 | 張亞輝
手搟面加工過程中的非線性力學及熱力學問題
摘要
本文對手搟面加工過程中涉及的非線性力學及熱力學問題進行了分析，主要涉及：I.揉面過程的時效成形原理；II.搟面過程中的非線性變形機理；III.煮面過程中的火候控制問題。結合分析結果，本文對如何做出一碗可口筋道的手搟面給出了可行性建議。
1.引言
面條作為人類社會最主要的主食之一，自問世以來廣為流傳，深受人們喜愛。其形態各異，或細如龍須，或寬如褲帶；其吃法百搭，或略施榨菜，或魚頭高湯。一碗面條下肚，生活便有了意義。我國勞動人民在長期的吃面實踐中，創造性地摸索出了紛繁復雜的面條加工方法。以刀削面為代表的切削成形法，面條口感筋道凌厲，然其技術要求過高，非常人居家所能及。
以扯面拉面拉條子為代表的超塑性成形法風靡全國，然其前處理過于復雜，多用于面館經營批量生產。以掛面為代表的時效成形法，面條風干耐儲藏，然其工序耗時過長，只適用于商品化生產。與其他成形方法相比，手搟面以其耗時短、技術門檻低、面條樣式靈活多變的顯著優點，應用最為廣泛，尤其以作者所在的關中一帶，更是形成了家家戶戶把面搟的盛景奇觀。
然而搟面看似簡單，背后卻蘊藏了極為復雜的力學原理。作為一種典型的粘塑性材料，面團在搟成面條的過程中呈現出復雜的非線性力學行為，時至今日，相關研究仍然極為欠缺。為了彌補此項空白，本文對手搟面加工過程中的非線性力學及熱力學問題進行了系統的實驗及理論研究。
各章安排如下：第二章介紹了實驗部分，包括材料屬性及實驗流程；第三章給出了理論分析，對“醒面”、搟面、煮面過程中涉及的非線性力學及熱力學知識進行了詳盡分析。第四章對全文工作進行了總結，并對未來工作做了展望。
2.實驗
本文所用面粉為T45小麥粉，購于Auchan Villebon超市。和面用水為冷自來水，未加鹽，未加堿。水面混合比為目測，只可意會，不可量化。
展開 使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析
使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析
李安民
Thermal Analysis of Teapot using ANSYS Workbench
Julian Lee
摘要：使用穩態分析裝滿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特性。使用瞬態分析模擬水降溫過程，得到溫度分布和熱流量，瞬態分析同樣使用兩種材料進行對比分析。
關鍵字：仿真；有限元；ANSYS Workbench；熱力學分析
分析視頻教程將在2023年3月23日19:30在技術鄰進行直播，歡迎前來觀看以及和作者討論。
本教程使用了ANSYS 2023和ANSYS2022，兩個版本在本教程范圍內操作完全相同。
1 穩態分析（Stead-State Thermal）
1.1 陶瓷材料（Porcelain）
1. 打開ANSYS Workbench，建立Steady State Thermal System
雙擊Toolbox中的Steady-State Thermal或者將其拖到Project Schematic中，如下圖所示：
2. 定義鋼材和陶瓷的本構模型，鋼材的本構模型默認存在，從Thermal Material添加Porcelain。
雙擊第2行Engineering Data，在Engineering Data選項卡中點擊Engineering Data Sources。在Engineering Data Sources表中選擇序號為12的Thermal Materials選項，然后在其下Outline of Thermal Material中選擇43號Porcelain。
陶瓷的比熱容（Thermal Conductivity）為5W/(m?℃)，點擊B列的加號，在C列出現紫色書的圖標，表示材料在待用材料冊中。
展開 