材料的熱學性質

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簡介

當固體吸收熱能時，就會觀察到材料的熱學性質。吸收熱量後，材料的溫度升高，材料的尺寸也隨之增加。

在熱量作用下，材料的性質包括熱容率、熱膨脹率以及熱導率。熱應力也被認為是材料性質的一個重要屬性。

什麼是材料的熱學性質？

材料的熱學性質取決於幾個因素，例如熱量規格、材料的熱容、熱膨脹率以及熱導率。熔點和沸點也會影響材料的熱膨脹（Sukontasukkul *等*，2019）。

熱學性質也因熱擴散率和“抗熱衝擊率”而異。

圖 1：材料的熱學性質

在此圖中，取兩種不同的材料。兩種材料的熱導率透過 Q 傳遞。從 T₁ 體，熱導率傳遞到 T₂ 體。

材料性質的型別

可以觀察到四種不同型別的材料性質，“材料的機械效能”、“材料的化學效能”和“材料的物理效能”、“材料的尺寸效能”以及“材料的熱學效能”也是材料性質的重要類別。

• “材料的化學效能”包括腐蝕抗性、吸溼性、pH 值、反應速率以及金屬體的表面張力。

• “材料的物理效能”依賴於材料的密度以及金屬體的導電性、光學效能和可燃性。

• “材料的機械效能”包括金屬體的電性、延展性、硬度以及韌性。“材料的尺寸效能”完全取決於金屬體的尺寸和形狀。

材料的熱容

熱容是指使材料溫度變化一度所需的熱量。材料的熱容可以以焦耳或卡路里的形式存在，而金屬體的溫度可以用攝氏度或開爾文表示。

為了計算材料的熱容率，使用一個簡單的公式。

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

在此公式中，Q 指的是材料的熱容，以焦耳表示，m 指的是以克計算的質量，C 表示比熱，以 J.K^-1 表示。公式中的 ΔT 代表溫度變化，以 0_K 表示。

材料的熱膨脹

熱膨脹是熱學性質中最重要的組成部分之一，它指的是材料在施加熱量或溫度時高度、長度和體積的變化。材料的熱膨脹可以發生在面積、體積以及金屬體的形狀方面（Honorio、Bary & Benboudjema，2018）。

例如，在鐵路軌道或道路橋樑上可以看到熱膨脹。

材料的熱導率

圖 2：不同材料的熱導率

不同材料的熱導率取決於溫度或熱量。例如，銅的熱導率為 399 W/m⁰C，而金的熱導率為 317 W/m⁰C。木材的熱導率為 0.087 W/m⁰C，玻璃為 0.81 W/m⁰C。

對於液體材料，熱導率略低。例如，水的熱導率為 0.6 W/m⁰C，乙二醇為 0.26 W/m⁰C（Bruno *等*，2018）。氫氣的熱導率為 0.19 W/m⁰C，空氣的熱導率為 0.026 W/m⁰C。可以清楚地看出，材料的熱導率取決於密度。

不同材料的熱效能係數

不同材料的熱效能係數取決於熱膨脹率以及金屬體尺寸、大小和形狀的變化。線性熱膨脹的測量遵循公式 Δl/l=αl.ΔT，其中 l 代表材料的物體長度，Δl 表示長度變化，αl 表示線性膨脹係數，ΔT 表示熱量變化。

圖 3：材料的熱效能係數

面積熱膨脹遵循公式

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

其中 A 代表材料的面積，ΔA 表示面積的變化，αA 表示面積膨脹係數，ΔT 表示熱量的變化（Jafarzadeh & Jafari，2021）。

體積熱膨脹遵循公式 ΔV/V=αV.ΔT，其中 A 代表材料的體積，ΔV 表示體積的變化，αV 表示體積膨脹係數，ΔT 表示熱量的變化。

結論

熱應力是材料熱學性質的另一個組成部分，它主要透過金屬體的熱膨脹和熱收縮產生。比熱也包含在金屬體的熱學性質中，它指的是金屬體被加熱的時間持續時間。

常見問題

Q.1 材料的熔點是多少？

答：材料的熔點是指材料開始熔化的階段。材料的熔點取決於熱容。

Q.2 材料的沸點是多少？

答：沸點是指材料開始沸騰時的溫度。材料的沸點也取決於熱容。

Q.3 材料的熱擴散率是多少？

答：熱擴散率是指材料的熱導率與熱容的比率。例如，銅具有最高的熱導率，而空氣具有最低的熱導率。

Q.4 什麼是抗熱衝擊性？

答：抗熱衝擊性是材料的一個階段，指的是溫度的變化。這個特定階段指的是材料的抗衝擊能力。