1、新疆大学材料物理（材料科学基础）物理科学与技术学院 李强2007.1st TermMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li第六章 单组元相图及纯晶体的凝固l相 ： 体系中具有相同的物理与化学性质，且与体 系的其它其它部分以界面分开的均匀部分。l组元 ： 组成体系的基本单元，可以是纯元素或稳定 的分子基团。l相变 ： 在一定条件下，体系中某一个 (或几个 )相转变成另一个 (或几个 )相的过程。DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l热力
2、学第一定律 ： 热力学第二定律 ： 指出自 发过 程 进 行的方向n卡 诺 定律和 熵 的引入 ：n熵 增原理 ： 对 于孤立系 统 (与外界没有物 质 和 热 量交 换 )，体系的 熵 永不减少。n熵 判据 ： 绝热 条件下体系中 进 行的任何自 发过程中， S 0，其中 对 可逆 过 程取等号。 热力学基本方程 ：DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l吉布斯 (Gibbs)判据 ：在等温等 压 条件下，体系中 进 行的如何自 发过 程中，dG 0。n 吉布斯自由能：G = U
3、+ PV - TS = H - TS(焓 ： H = U + PV)在等温等 压 条件下，当系 统 达到平衡 时 ，体系的 G达到最小。 考 虑 一个体系在等温等 压 条件下 发 生了一个 过 程，从 环 境中吸收的 热 量。将环境和体系看成一个整体，则可看成孤立系统， 此 过程中 dS 0 等压 条件下， 等 温条件下，环境 QT, P体系DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l热容 (Thermal Capacity)：热 容的定义 :摩 尔 热 容 ：即 1mol物 质 的 热
4、 容 ， 为 强 度量。定容摩 尔 热容 :定 压 摩 尔 热容 : 热 容 为 广延量 , 与体系的 质 量或摩 尔 数有关。 为 了将其做 为 材料的特征量，需要 单 位化。一般 说 的 热容都是摩 尔 热 容。 由于 Q是与 过 程有关的量，所以不同 过 程的 热 容也不同。 对 于 气体 ， PV = nRT CP - CV = R对 于 固体 ， CP CVDateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l固体的热容 ：固体 热 容的德拜模型TCV3R0.8DD : 德拜温度 。 对
5、 于固体它在 200 400 K之 间 。 在 较 高的温度下 , 固体的 CV (CP)随 T变 化很小 , 可以 认为 是常数 (3R)。DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l吉布斯自由能 (Gibbs Free Energy)：G = H - TS G反映了等温等 压 条件下，体系的 稳 定程度。考 虑 等 压过 程中，H: 焓 ，H=U+PV反映了体系的内能S: 熵反映了体系的混乱程度一般 规 定 纯组 元在 298K时稳 定相的 焓H = 0，焓 :熵 : 在 298K时
6、稳 定相的 焓所以如果知道了相的 CP随温度的 变 化情况 , 则 可求出H和 S, 从而确定出它的 G。H, S和 G都是广延量。 为 了使其成 为 表示系统 的特征量，通常都是 针对 1mol的体系。DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li 材料热力学基础l吉布斯自由能 (Gibbs Free Energy)：TG, HTSGH斜率 为 CP斜率 为 -SG随 T的 变 化示意图 DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, D
7、r. Q. Li 材料热力学基础l吉布斯自由能 (Gibbs Free Energy)：TGTm298KH固G固H液G液相 变 潜 热纯组 元的固相和液相 Gibbs自由能 对 T变 化示意 图H固 H液S固 S液 因 为 G曲 线 的斜率是 -S，所以 G液 比 G固 有更快的下降速度DateXinjiang UniversityMaterials Science and Engineering, Dr. Q. Li6.1 单组元体系相图1、 吉布斯相律：相律 ： 一个包含 C个组元的多组元体系，其中包含 P个相，则体系的自由度： f=C+2-P。 （ 推导在下一章讲 ）l 体系的自由度包括 T， P，以及各相中组元的成分组成。l 在 等压 条件下， f=C+1-P 对于 单组元体系 ， C=1， f = 3 - P即体系最多只能出现三相共存，且此时 T， P为确定的值。l 利用相律可以确定系统平衡时可能最多共存的相数 对 单组元系 ，在等压 (1atm)条件下 , f=2-P。对于熔化过程 ,此时固液两相共存 (P=2), f = 0, 它 的 Tm是确定的值；对 二元系 ，在等压条件下的熔化过程， P=2， f = 1， 它的熔化可以在一个温度范围内进行。DateXinjiang University
