材料热力学--第四章二组元相.ppt

材料热力学 刘世凯 第四章 二组元相 虽然实际的材料大多是多组元材料，但其中的多数可以简化为二组元材料来分析研究。 第四章 二组元相 第四章 二组元相 4.1 理想溶体近似(Ideal solution approximation） 4.2 正规溶体近似(Regular solutions approximation ) 4.3 溶体的性质(Properties of solution) 4.4 混合物的自由能(Free energy of mixture) 4.5 亚正规溶体模型（sub-regular solution model） 4.6 化学位(Chemical potential) 4.7 化学位和自由能-成分图（Gm-x图） 4.8 活度(Activity) 4.9 化合物相(Compound) 4.1 理想溶体近似 溶体、溶液（solution）：广义地说，两种或两种以上物质彼此以原子、分子或离子状态均匀混合所形成的粒子混合系统（Particle mixing system)。 溶体以物态可分为气态溶液、固态溶液和液态溶液。 本课程主要讨论凝聚态的溶体：溶液和固溶体。 4.1 理想溶体近似 4.2 正规溶体近似 实际溶液的性质同理想溶液的性质有偏差，组元间粒子不可能无相互作用。 Statistical Model of regular solutions(从原子角度来考察溶液的形成)： 由NA个A原子和NB个B原子构成1mol的溶体， XA、XB：A、B的原子摩尔分数， 令z=配位数：晶体中每个原子的最近邻原子数目。 混合前： 由NA个A原子和NB个B原子构成1mol的溶体， XA、XB：A、B的原子摩尔分数 混合后： 设1mol溶体中两个相邻阵点位置为1和2， 位置1被A原子占据的几率为NA/Na=XA ，位 置2被B原子占据的几率为XB，1被A原子、 同时2被B原子占据的几率为XAXB. 类似的, 1被B原子、同时2被A原子占据的几率为XBXA. 在相邻阵点位置1和2找到A-B键的几率就是二者之和，为2XAXB 但是,在这两个位置找到A-A键的几率是XAXA= XA2(因为A可以同B区分开,却无法与另一个A区分) 类似可以得到，在这两个位置找到B-B键的几率是XBXB= XB2 XAB=XAXB , XBA=XBXA ，XAA= XA2 , XBB= XB2 混合后： 4.3 溶体的性质 溶体的性质： 溶体的结构稳定性与成分的关系 原子排布的有序性 溶体的性质取决于构成溶体组元之间的相互作用。 ?? 宏观：相互作用能IAB； ?? 微观：溶剂与溶质原子之间的结合能uAB与同类原子结合能uAA、uBB之间的差值。 4.3 溶体的性质 4.3 溶体的性质 就狭义的正规溶体近似而言，相互作用能IAB是与温度和溶体成分无关的常数。 4.4 混合物的自由能 混合物自由能的基本特征是服从混合律（Mixture law）：混合物的摩尔自由能GmM，与两相的摩尔自由能Gmα和Gmβ之间的关系为: 4.5 亚正规溶体模型 4.6 化学势 化学热力学中的重要概念: 化学势(化学位) （Chemical potential） 活度（Activity） 采用特定模型描述摩尔自由能时，所出现的化学势与活度系数的具体形式，使这些概念更方便地与材料学中的问题联系起来。 4.6 化学势 单组元体系的摩尔热力学函数值 多组元体系的偏摩尔热力学函数值 偏摩尔量的集合公式 Gibbs-Duhem公式 化学势 单组元体系的摩尔热力学函数值 单组元体系的摩尔热力学函数值 多组元体系的偏摩尔热力学函数值 纯组元组成溶液后,由于各组元之间的相互作用以及质点间排列的变化,溶液的热力学函数已不再是各组元热力学函数的简单加和,各组元在溶液中的热力学性质也不能用他们独立存在时的纯组元热力学函数来描述。 为描述各组元在溶液中的性质，引入偏摩尔量的概念。 多组元体系的偏摩尔热力学函数值 多组元体系的偏摩尔热力学函数值 多组元体系的偏摩尔热力学函数值 偏摩尔量的集合公式 偏摩尔量的集合公式 写成一般式有： Gibbs-Duhem公式 化学势(化学位) 化学势(化学位) 化学位(μi)与摩尔自由能(Gm)的关系 4.7 化学位和自由能-成分图(Gm-x图) 需特别重视摩尔自由能图（Gm-x图）在分析和理解材料学问题上的特殊直观意义。 Gm-x图包含着丰富的热力学信息 分析和理解材料学问题的重要工具: 4.8 活度(Activity) 4.9 化合物相 相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相