材料化学热力学PPT.ppt

材 料 化 学 Chemistry of Materials;本课程的内容;*;第三章 材料化学热力学和动力学;例1：; 化学热力学基础及应用 埃灵罕姆图（Ellingham Diagrams）及其应用 相平衡与相图;3.1 化学热力学基础及应用;3.1.1 化学热力学回顾;焓（Enthalpy） ;熵（Entropy） ——可逆过程热效应（QR）与绝对温度的比值： 热力学第二定律——任何自发变化过程始终伴随着隔离体系的总熵值的增加。 热力学第三定律——在绝对零度时，任何纯物质的完整晶体的熵都等于零。 ;自由能（Free Energy） ;3.1.2 化学热力学在材料研究中的应用;;炼钢过程炉温调节计算;将1mol［C］氧化放热量折合成1kg［C］的放热量;Al2O3-TiC ----重要的刀具材料;盖斯定律（1840）： 化学反应的热效应只决定于反应的初末状态，与过程的途径无关。;TiO2-Al-C-ZrO2体系燃烧合成产物的XRD结果;Al2O3-TiC-ZrO2(n)纳米复合陶瓷材料与常用刀??材料的性能比较;3.2 热力学参数状态图;何为热力学参数状态图？;3.2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用;把上式的DrGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与温度的关系图。;因此化学反应自由能变化最常见的形式如下：;直线的斜率？？;CO直线的斜率;直线的位置;（2）在同一温度下，若几种元素同时与氧相遇，则位置低的元素最先氧化。如1673K时，元素Si、Mn、Ca、Al、Mg同时与氧相遇时，最先氧化的是金属Ca, 然后依次为Mg、Al、Si、Mn。;（4）由于生成CO的直线斜率与其他直线斜率不同，所以CO线将图分成三个区域。 在CO线以上的区域，如元素Fe、W、P、Mo、Sn、Ni、Co、As及Cu等的氧化物均可以被C还原，所以在高炉冶炼中，矿石中若含Cu、As等有害元素将进入生铁，给炼钢带来困难。;在CO线以下区域，如元素Al、Ba、Mg、Ca以及稀土元素等氧化物不能被C还原，在冶炼中它们以氧化物形式进入炉渣。在中间区域。;CO线与其他线相交。当温度高于交点温度时，元素C氧化，低于交点温度时，其他元素氧化。这一点在冶金过程中起着十分重要的作用。从氧化角度讲，交点温度称为碳和相交元素的氧化转化温度；从还原角度讲，称为碳还原该元素氧化物的最低还原温度。 ;3 氧势图的应用－氧气标尺;设1mol O2从1标准大压等温膨胀到压力为Po2;2、Po2标尺与氧化物的分解压的关系;（2）在指定氧分压下，可以直接得到金属氧化物的分解平衡温度;（3）在指定温度与氧分压下，可以直接判定气氛对金属性质的影响;若PO2平 PO2时，?G0，则反应向生成金属的方向进行，即氧化物易于分解。 若PO2平 PO2时，?G0，则反应向生成氧化物的方向进行，即金属易于氧化。 ;利用埃灵罕姆图，可在很宽的温度范围内研究各种材料的热力学性质及氧化还原性质，为材料的制备和使用以及新材料的研究开发提供依据和参数。 ;应用（一）： 选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬;从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的[C]氧化而[Cr]不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。 ;1473K;1). 标态下的氧化顺序;各氧化物被还原的反应顺序？ 铁氧化物被还原的温度、气氛？ 高炉冶炼条件下铁氧化物还原的限度？ 矿石与焦碳中脉石的反应方向与限度？ 矿石与焦碳中有害元素的去向？ 矿石与焦碳中有害元素的脱除限度？;3.3 相平衡与相图 ;3.3.1 相平衡与相律;(1) 相律;(2) 单元相图的基本类型与特点;1、相和相变;相平衡; ;相律;1. Phase diagrams of one-component systems;水的冰点: 在101.325kPa下,被 空气所饱和了的水的凝 固点(273.15K)。;;O点称为三相点，现在国际单位规定水的三相点温度为273.16K， 通常我们说的水的冰点温度0 0C（ 273.15K）;硫的相图;5.3 二元相图的基本类型;(5)二元相图类型;A的熔点; 以组成为M的配料加热到高温完全熔融，然后平衡冷却析晶。;3个概念：系统组成点、固相点、液相点;析晶路程表示法;连续原理：当决定体系状态的参数连续发生变化时，在新相不出现、旧相不消失的情况下，体系中各相的性质以及整个体系的性质也连续变化。如果体系的相数发生变化，自由度变了，体系各相的性质以及整个体系的性质都要发生跃变。;组成规则 （结线规则）回答了两个问题： （1）在两相区内某一温度下，两个平衡共存相是什么相。 （2）平衡共存的两个相的组成是