材料热力学_热力学基本原理.ppt

材料热力学 什么是材料热力学 材料热力学是热力学基本原理在材料设计、制备与使用过程中的应用，包括相平衡（相图）热力学、相变热力学等 相图反映的是物质的存在状态，而热力学反映的是物质所包含的能量，而能量是物质状态变化的起因与，因此相图与热力学有非常密切的关系，目前材料热力学主要内容是相图（或相平衡）热力学 本课程包括热力学基本原理回顾、热力学在冶金材料过程中的应用、相平衡热力学与相图计算，相图与合金设计 热力学基本原理回顾 通用热力学基本概念 体系：热力学上，我们具体的研究对象称为体系。 环境：与体系有能量交换的部分。 平衡状态：在体系的与外界不存在能量交换的情况下，热力学体系所处状态。 状态变量：能够引起体系能量发生变化的可控变量，如：温度、压力、成份等。 状态函数：以状态变量为自变量，用来描述体系热力学状态的一些量，如：焓、熵、自由能等。状态一定，描述系的状态变量与状态函数值一定。 通用热力学基本概念 容量性质：在状态函数与状态变量中，随体系所含物质多少变化而变化的性质，称为容量性质，如：内能、焓、熵、自由能等。1摩尔物质所对应的容量性质称为摩尔量，如：摩尔分数、摩尔内能、摩尔焓、摩尔熵、摩尔自由能等。摩尔量仍然是容量性质。平衡状态下，体系的每一部分，容量性质可以不相同，如：在处于平衡状态的某一材料中，不同的相有不同的成份、不同的自由能、不同的焓、不同的熵等。 强度性质：在状态函数与状态变量中，不随体系所含物质多少变化而变化的性质，称为强度性质。平衡状态下，体系的每一部分，强度性质必需相等，如：在处于平衡状态的某一材料中，不同的相有相同的温度、压力、化学位等。 热力学第一定律及其相关基本概念 内能：某一热力学平衡状态下，体系所包含的能量总和。内能没有绝对值。 热力学第一定律：体系内能的增量等于体系从环境中吸收的热量Q与体系对环境所作功W之差。 在恒容、不做非体积功的情况下： 热力学第一定律及其相关基本概念 恒容热容：在不发生相变与化学变化、恒容、不做非体积功的情况下体系每升高1度体系所需吸收的热量:  在不发生相变与化学变化的情况下，温度由T1升高至T2所引起的内能变化为：  在发生相变与化学变化的情况下，内能的变化必须加上由于相变与化学变化引起的内能增量。 热力学第一定律及其相关基本概念 焓：H=U+PV 由于我们常见的状态转变都时在1大气压的情况下发生的，因此在用包含压力的状态函数对我们解决问题更有利，为此我们定义了焓。焓是热力学中常用的热力学函数，与内能一样，焓没有绝对值。在恒压、不做非体积功的情况下： 热力学第一定律及其相关基本概念 恒压热容：在不发生相变与化学变化、恒压、不做非体积功的情况下体系每升高1度体系所需吸收的热量： 在不发生相变与化学变化的情况下，温度由T1升高至T2所引起的焓变为： 在发生相变与化学变化的情况下，焓的变化必须加上由于相变与化学变化引起的焓增量。 常见的焓变有：化合物的生成热（焓变）、溶液的混合热（焓变）、相变热（焓变）、化学反应热（焓变）、燃烧热（焓变）等。相变与化学变化过程中的焓变遵循Hess定律：相变与化学反应无论是一步还是几步完成，只要起始状态与终止状态相同，其变化引起的焓变相等。 热力学第二定律及其相关基本概念 可逆过程：经过一个循环后体系与环境都不产生变化的过程称为热力学可逆过程，反之为热力学不可逆过程。 熵：可逆过程中，体系吸收的热量与温度之商。 从统计热力学的角度，熵是体系混乱度的量度, 该式称为Boltzman关系式， k为波尔兹曼常数，?为混乱度，即体系可能的微观状态数，体系可能的微观状态数越多，混乱度越大，熵越大。 热力学第二定律及其相关基本概念 化学反应过程中生成物的熵的总和减去反应物熵的总和即化学反应的熵变。 在不做非体积功的情况下，对于可逆过程有： ?Qrev=SdT dU=?Q-PdV=SdT-PdV dH=d(U+PV)=dU+PdV+VdP=SdTPdV+PdV+VdP =SdT+VdP 恒压可逆情况下，体系由温度T1上升到T2的熵变为： 热力学第二定律及其相关基本概念 热力学第二定律：孤立体系的自发不可逆过程总是向熵增加的方向进行。 换句话说，对于某一过程体系与环境的熵变和为零，则该过程可逆，体系与环境处于平衡状态；体系与环境的熵变和大于零，体系与环境不平衡，该过程能自发进行，直至达到平衡状态；体系与环境的熵变和小于零，体系与环境不平衡，该过程能自发沿反方向进行，直至达到平衡状态。 热力学第二定律及其相关基本概念 Gibbs自由能：G=H-TS； Helmholtz自由能：F=U-TS 不做非体积功的情况下可逆过程 dG=d(H-TS)=dH-TdS-SdT=SdT+VdP-TdS-SdT=-TdS+V