5-1-材料相变热力学

固态相变热力学
对于界面形核，由界面张力平衡可知，界面能之间存在 下列关系：
固态相变热力学
若晶核为双球冠形，R为曲率半径，则有：
根据晶界形核的形核功W 公式，当W＝0有：
固态相变热力学
满足这一条件时，该二次方程式的解为＝2、 ＝－4。
由此可知，界面形核时，只要
形核便不再需要额外的能量！ 通过分析可知，界隅形核的能量障碍最小。然而，界隅能否成为优先
固态相变热力学
固态相变的形核
1、均匀形核
临界晶核、形核功
2、非均匀形核
晶界形核 界面 界棱 界隅
位错形核 空位形核
固态相变的晶核长大
1.新相长大机制
半共格界面的迁移机制 非共格界面的迁移机制
2.新相长大速度
无成分变化时的新相长大速度 成分变化时的新相长大速度
固态相变热力学
一 固态相变的形核
绝大多数固态相变都是通过形核和长大过程完成 的。形核过程往往是先在母相中某些微小区域内形成新 相所必需的成分和结构，称为核胚；若核胚尺寸超过某 一临界值，便能稳定存在并自发长大，成为新相晶核。
一侧共格的界面晶核
固态相变热力学
晶界形核系统自由能变化：
设为母相，为新相，则晶界形核时系统 自由能的总变化可表达为：
式中，S为相表面积；为相与相的单位界 面积的界面能；S为被相吞食掉的相晶界面积； 为相晶界的单位面积界面能。
固态相变热力学
晶界形核系统自由能变化：
可将上式整理为： 令＝/ ，由此可导出晶界形核的形核功W 为：
当表面能和弹性应变能 增大时，临界晶核半径rc增 大，形核功W 增高。
具有低界面能和高弹性应变能的共格新相核胚，倾向于呈盘状 或片状；而具有高界面能和低弹性应变能的非共格新相核胚，则易 成等轴状。但若新相核胚界面能的异向性很大（对母相晶面敏感） 时，后者也可呈片状或针状。

101.325 kPa T >100 C g
1
H2O
101.325 kPa T=100 C g-l
2
610.62Pa T =0.16 C g -l-s
3
常T, p, 小浓度，不饱和溶液， l 1
NaCl水溶液
常T, p, 浓度升高, 饱和溶液， s1-l 2
T降低，析出冰，
s1-s2-l 3
降低p, 出现气体
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② 可以由一个温度下的饱和蒸汽压求另一温度下的饱和蒸汽压
③ 可以求Hm(蒸发) (1) 实验法：
测系列p-T，作 lg p
Hm(蒸发)=-斜率R
1图 T
(2) 经验法 (Trouton’s Rule):
Hm(蒸发) /Tb=88 JK-1 mol-1 Tb：101.325 kPa下液体的正常沸点
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3) ＋ ＝C＋2 数量关系及规律
固定， C+1+1 ; 固定C， +1-1
相数最多，＝0，无负数
自由度最大，最小 =1
若增加其它限制条件，多一个限制条件自由度减少一个
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应用举例
1. 试说明下列平衡系统的自由度为多少 (1) 25C, 101.325 kPa下, NaCl(s)与其水溶液平衡共存 (2) I2(s)与I2(g)平衡共存 (3) 用任意量的HCl(g)与NH3(g)构成的体系中有下述 反应达成平衡HCl(g) + NH3(g)=NH4Cl(s)
1
2. 本章内容
①研究单、双及三组分多相平衡系统
②利用热力学的原理和方法，揭示相平衡体系的规律性
③相图: 研究多相体系的状态如何随浓度、温度、压 力等变量的改变而发生变化，并用图形来表示体系状 态的变化; 是以实验为基础绘制的几何图形，用来表 示 相平衡体系状态规律。

=114.52 J· -1 K
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4 相变过程自发性判据
(1):熵判据：把系统和环境看成是一个孤立系统， 用孤立系统的熵变作为判据来判断过程的自发性。
例5-1-5 求1.00mol过冷水在101325Pa及-10℃ 时凝固过程的△S。已知冰的质量熔化焓为334.7 J·-1，水和冰的质量热容分别为Cp(H2O,1) =4.184 g J·-1· -1，Cp(H2O,s) = 2.092J·-1· -1。 g K g K 解： H2O(1,263K)→H2O(s,263K) 这是一个不可逆相变过程。
= -1.00×8.314×630kJ= -5.24 kJ
Qp=ΔH = 58.5kJ58.5kJ
ΔU = Qp+W = (58.5-5.24)kJ = 53.3kJ53.26kJ
6
例：习题5-1：
解：
pV 50.663 103 100 103 n水 1.6377( mol) RT 8.314 373
解：根据相变热与温度的关系：
vap Hm (142.9 C ) vap Hm (100 C )
416.1 373.2
C
p,m
( g ) C p,m (1)dT
vap Hm (100 C ) Cp,m ( g) Cp,m (1)(T2 T1 )
vap Hm (142.9 C ) 40.63 (34.56 76.56 103 (416.1 373.2) ）
38.83kJ mol1
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三、相变化过程熵变的计算 (1)可逆相变过程相变熵 可逆相变：是指在无限接近相平衡条件下进 行的相变化。 当相变发生在两相平衡共存的温度和压力下 时，称为可逆相变。 任何纯物质的可逆相变均具有恒温、恒压的 特点，根据熵变的定义式，对于恒温恒压的 可逆相变，相变熵为：

金属材料的相变与热力学分析金属材料是广泛应用于工业生产和日常生活中的重要材料之一。

在金属加工和利用过程中，了解金属材料的相变行为以及热力学特性对于改善材料性能和工艺效率至关重要。

本文将对金属材料的相变与热力学进行分析。

一、相变的概念及分类相变是指物质在一定条件下从一种相转变为另一种相的过程。

对于金属材料来说，常见的相变形式包括固-固相变、固-液相变、液-气相变等。

其中，固-固相变是指金属的晶体结构发生改变，而固-液相变是指金属由固态转变为液态，液-气相变则是指金属由液态转变为气态。

二、金属材料相变的热力学分析热力学是研究物质性质与热力学过程之间关系的学科。

金属材料的相变过程受热力学第一和第二定律的制约。

1. 热力学第一定律根据热力学第一定律，能量在相变过程中是守恒的，即相变前后系统的能量总和不变。

金属材料的相变过程中，吸收或释放的热量可以通过热力学分析来估计。

2. 热力学第二定律根据热力学第二定律，自发进行的相变过程是使系统熵增加的过程。

金属材料的相变过程中，热力学分析可以用来计算相变的熵变，从而评估相变的自发性和可逆性。

三、金属材料相变的影响因素金属材料的相变受多种因素的影响，包括温度、压力、化学成分等。

1. 温度温度是影响金属材料相变的重要因素。

随着温度的升高或降低，金属的相变温度也会相应地改变。

2. 压力在高压下，金属材料的相变温度可能会显著改变。

压力对金属的相变规律有一定的影响。

3. 化学成分金属材料的化学成分也会对其相变行为产生影响。

合金中的不同元素可能导致相变温度的改变和相变形式的差异。

四、金属材料相变的应用金属材料的相变特性可以广泛应用于材料工程和制造过程中。

1. 热处理通过控制金属材料的相变过程以及相变温度，可以实现对材料的硬度、强度和导电性等性能的调控，从而满足不同应用需求。

2. 材料制备相变过程对金属材料的制备有着重要的影响。

例如，通过调控相变过程可以制备出微观结构均匀的金属材料，提高其机械性能和腐蚀抗性。