第九章 相变过程

第九章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。

一般相变前后相的化学组成不变，因而相变是个物理过程不涉及化学反应。

从狭义讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化；但广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。

第一节相变的热力学分类一.一级相变热力学特点：1.相变时，两相的自由焓相等（即G1=G2，dG=0）。

∵G = U+pV-TSdG = dU+pdV+Vdp-TdS-SdT = 0假设是可逆过程且只做体积功，由热力学第一定律，内能增量为dU = TdS-pdV∴dG = TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT∴dG = Vdp-SdT2.相变的时候，两相的自由焓一阶导数不连续。

恒压条件下，自由焓对温度求导，（∂G1/∂T）P≠(∂G2/∂T)P而恒压下，（∂G/∂T）=-S∴S1≠S2∴两相的熵发生不连续的变化（即没有相变潜热）。

温度T一定时，（∂G1/∂p）T≠(∂G2/∂p)T而温度T一定时，（∂G/∂p）=V∴V1≠V2∴有体积效应所以，相变时，有相变潜热，有体积效应。

二. 二级相变热力学特点：1.两相的自由焓相等。

2.两相自由焓的一阶导数是连续的（即相变时，没有相变潜热，没有体积效应）。

3.自由焓的二阶导数不连续。

P一定时，（∂2G/∂T2）P=-(∂S/∂T)P=-(C p/T),即二级相变时，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等。

T一定时，（∂2G/∂p2）T=(∂V/∂p)T=(1/V)*(∂V/∂p)T*V,而K=(1/V)*(∂V/∂p)TK为等温压缩系数，所以K1≠K2；即二级相变时，两相的等温压缩系数是变化的。

（∂2G/∂p*∂T）=(∂V/∂T)p=(1/V)*(∂V/∂T)p*V,而α=(1/V)*(∂V/∂T)p 为等压 热膨胀系数，所以α1≠α2；即二级相变时，两相的等压热膨胀系数是变化的。

第二节 液——固相变（熔体结晶）一.核化均匀熔体实际上必须冷却到比熔点更低的一个温度才开始析晶。

第九章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。

一般相变前后相的化学组成不变，因而相变是个物理过程不涉与化学反响。

从狭义讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化；但广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。

第一节相变的热力学分类热力学特点：1.相变时，两相的自由焓相等〔即G1=G2，dG=0〕。

∵G = U+pV-TSdG = dU+pdV+Vdp-TdS-SdT = 0假设是可逆过程且只做体积功，由热力学第一定律，内能增量为dU = TdS-pdV∴dG = TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT∴dG = Vdp-SdT2.相变的时候，两相的自由焓一阶导数不连续。

恒压条件下，自由焓对温度求导，〔∂G1/∂T〕P≠(∂G2/∂T)P而恒压下，〔∂G/∂T〕=-S∴S1≠S2∴两相的熵发生不连续的变化〔即没有相变潜热〕。

温度T一定时，〔∂G1/∂p〕T≠(∂G2/∂p)T而温度T一定时，〔∂G/∂p〕=V∴V1≠V2∴有体积效应所以，相变时，有相变潜热，有体积效应。

二. 二级相变热力学特点：1.两相的自由焓相等。

2.两相自由焓的一阶导数是连续的〔即相变时，没有相变潜热，没有体积效应〕。

3.自由焓的二阶导数不连续。

P一定时，〔∂2G/∂T2〕P=-(∂S/∂T)P=-(C p/T),即二级相变时，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等。

T一定时，〔∂2G/∂p2〕T=(∂V/∂p)T=(1/V)*(∂V/∂p)T*V,而K=(1/V)*(∂V/∂p)TK为等温压缩系数，所以K1≠K2；即二级相变时，两相的等温压缩系数是变化的。

〔∂2G/∂p*∂T〕=(∂V/∂T)p=(1/V)*(∂V/∂T)p*V,而α=(1/V)*(∂V/∂T)p 为等压 热膨胀系数，所以α1≠α2；即二级相变时，两相的等压热膨胀系数是变化的。

第二节 液——固相变〔熔体结晶〕一.核化均匀熔体实际上必须冷却到比熔点更低的一个温度才开始析晶。

第九章相变过程
相变是物质的一种特殊状态变化，它是在一定的压力和温度下物质从
一种状态变成另一种状态的一个过程。

相变是物质分子或原子态势变化的
过程，是由物质在特定温度下的状态变化所引起的。

它分为一般的相变和
特殊的相变，两者的最大区别是：一般的相变只会改变物质的固体、液体
和气体这三种状态，而特殊的相变则除了可以改变物质的固体、液体和气
体三种状态之外，还可以改变物质的其他状态。

相变过程是热力学过程的一部分，在物质进行相变的过程中会释放或
吸收大量的热，这种热能叫做相变热，而且相变过程还和物质量受到的压
力有关，一般来说，物质在越高压下的熔点会越高。

相变过程有几种不同的形式，例如凝固、汽化、液化以及融合等，这
几种过程之间有着本质的区别。

例如，凝固是物质从液态变为固态的过程，而汽化是物质从液态变为气态的过程，液化是物质从固态变为液态的过程，融合是物质从固态变为液态的过程。

相变是一种有规律可循的理论过程，而其中最重要的概念是“相图”，它是一张用于描述物质在不同温度和压力下的态势变化的图表，它反映了
物质在一定温度范围内相变的图形，可以给我们提供实际的参考。

在相变过程中，物质量会有所变化。

第九章相变第九章相变在讨论过气态，固态和液态的一些宏观性质和它们的微观结构之后，我们将介绍它们之间的相互转变—相变。

本章主要介绍一级相变的性质和它遵守的规律：介绍相变曲线与三相图的性质和应用；介绍克拉珀龙方程及其简单应用，本章还将简略介绍大气中的含水，使读者认识水的相变在气象科学中的重要性§1 相变一级相变的普遍特征一、相变1、相：指的是系统中物理性质均匀的部分，它和其它部分之间有一定的分界面隔离开来。

如：冰和水组成的系统中，冰是一个相，水是一个相，共有两个相组成。

例如酒精可以溶解于水，水和酒精的混合溶液只是一个相。

说明：处于平衡条件下，在没有外力场作用时，单相系一定是宏观上的均匀系。

2、元：一种纯物质（单质或化合物）就叫做一个“元”。

如：冰水系统是单元二相系；酒精水溶液是二元单元系；金属（假如不生成单一的化合物）是多元系。

对于固体不同的点阵结构，对应于不同的物理性质。

可以有多种不同的相。

例如金刚石和石墨是碳的两个固相。

α铁β铁γ铁和δ铁是铁的四个固相。

3、关于相的概念的三点说明：①以上相的定义是指物体系的平衡态而言的，在非平衡态，“均匀”不是一相所必需的条件②外力场不存在时单相系一定是均匀系，但外力场存化时，单相系不一定是均匀系，如重力场中处于平衡态的空气柱是单相系，但是是非均匀的。

③对于单元系，在一定条件下两相或三相可以平衡共存。

4、相变：不同相之间的相互转变称为相变。

相变是十分普遍的物理过程，通常是由温度变化引起的，例如，温度升高冰变为水，水变为汽。

但是，也经常利用压强变化来引起相变，例如，0℃的冰变受压强较大时溶化成水。

5、一级相变和二级相变：在相变时如果体积发生变化，且伴有相变潜热，这种相变叫做一级相变。

如果在相变时，体积不发生变化，也没有潜热吸收或放出，而有其他性质的变化，如热容量，热膨胀系数β等温压缩系数KT等的突变。

这类相变称为二级相变，我们只讨论一级相变。

二、一级相变的普遍特征1、相变中的体积变化：在液相转变为相时，气相的体积总是大于液相的体积的，在固相转变为液相时，对于大多数的物质来说，溶解时体积要增大，但椰油少数物质，如水、铋灰铸铁等，在熔解时体积反而要缩小。