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第05讲__相律与相图
中国科学技术大学 相变贮能讲义 J 第三章 相律和相图 引言 相律及基本概念 勒夏德里叶定理 相图的研究方法 相图分析 吉布斯 引言 水 相图的概念 液体的蒸发、蒸汽的凝结、固体的融解、溶液的结晶、熔体的结晶以及晶体的熔融和不同晶形的转变等都是人们熟知的相变过程,也是科技工作者十分关注的课题。 在一个多相体系中,随着温度、压力和组分的变化,相的种类、数量和含量都要相应地发生变化。 相图又称组合图或平衡图,所谓的平衡图是指物体在平衡状态下所显示的相的关系。 相图的用途 在冶金工业中,控制金属的冶炼过程、对物质的高度提纯,分析金属组成和性能的关系,研制具有优良性能的新合金以及探讨稀土元素对改善钢的性能的影响都要应用相图。 在硅酸盐工业中,确定某种材料的配方,选择烧成制度,预测产品性能等也离不开相图。 在开发新材料的过程中,往往要研究用什么原材料在什么条件下可以形成什么相,预计可以获得什么性能。 相图在化学、化工、矿物、地质和物理等领域中的应用也十分广泛。 相图的应用例—钢的含硫量 硫是钢铁中十分有害的杂质元素,根据Fe-FeS系统相图,假设钢液中含FeS在C点以右,即大于0.02wtFeS,则冷却时先析出?固溶体。当冷却到985摄氏度时,开始析出?+?固溶体共晶(组成点E),这些共晶分布在先前析出的晶粒边界上。 相图的应用例—钢的含硫量 具有这种结构特征的固体重新加热时,其中共晶体首先熔化,这就是导致热加工时在晶界处产生断裂的原因,工业上称之为“热脆”现象。它破坏了钢的完整性,所以钢铁生产中对含硫量作了严格的规定。 第二节 相平衡的基本概念及相律 相平衡的基本概念 系统 在热力学中所研究的对象,都是由大量分子或原子组成的宏观物体或物体系统(如气体、液体、固体等),称为热力学系统,简称系统(或体系)。 系统以外的物质统称为外界或环境。 当外界条件不变时,如果系统的各种性质不随时间而改变, 则这种系统就处于平衡状态。 凡是能够忽略气相影响,只考虑液相和固相的系统称为凝聚 系统。 相及其特征 热力学上所谓的相是指系统的一部分,这部分的性质和成分是均匀的,是物理地有它本身的特性而且至少在理论上可以从系统的其它部分分离的。 化学性质和物理性质都不同的两种物质可在同一相区内,只要它们的代表性变量如温度、压力、成分及晶体点阵常数等可连续地从一种物质变到另一种物质。 一个相中可以包含几种物质,即几种物质可以形成一个相。 空气、NaCl水溶液 一种物质可以有几个相。 水(冰、液、汽);碳(石墨、金刚石) 固体机械混合物中有几种物质就有几种相。 铁粉+碳粉 一个相可以连续成一个整体,也可以不连续。 水中的冰块 总之,气相只能是一个相,不论多少种气体混合在一起都一样形成一个气相。液体可以是一个相,也可以是两个相(互溶程度有限时)。固体如果是连续固溶体则为一相;其他情况下,一种固体是一个相。 独立组元(component) 系统中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质称为物种或组元。如盐水溶液中,NaCl和H2O都是物种,而其中的离子则不是。 决定一个相平衡系统的成分所必需的最少物种(组元)数称为独立组元数,通常用C表示。 独立组元数为n的系统称为n元系统。 注:有些教科书中把独立组元称为组元,要注意只有在特定条件 下,独立组元与组元的含义才是相同的。 在系统中如果不发生反应,则: 独立组元数=物种数 如铁砂和沙子混在一起及盐水溶液 自由度 在一定范围内,可以任意改变而不引起旧相消失或新相产生的独立变数称为自由度,平衡系统的自由度用F表示。 这些变数主要指组成(浓度),温度和压力等强度量。 一个系统中有几个独立变数就有几个自由度。 平衡系统:最低自由度(温度、压力、成份)或自由能最低。 相变:在均匀单相内,或在几个混合相中,出现了不同成分或不同结构(包括原子、离子或电子位置及位面的改变),不同组织形态或不同性质的相,就称为相变。 当母相失稳而新相具有较高的稳定性时,就会发生相变。 以水的相图为例讨论自由度的概念 当室温和大气压为101325Pa时(M),只有一个液相。在一定范围内可以任意改变系统的温度和压力不致产生新相或消失旧相,因此自由度为2; 在N点,系统有两个相,水和蒸汽建立了平衡。若要使系统保持这两相平衡,系统的压力就由温度确定或温度由压力确定,物系点必须在OC线上变化,自由度为1; 同样可知O点(三相点)时水、汽、冰三相平衡点,自由度为0。即欲维持三相平衡,则系统的温度和压力都只能各为某以确定值。(610pa,273.16K) 化学势:物质逃逸倾向的定量度量 变组分的多
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