无机材料科学基础（第六章）.ppt

第六章 相平衡 §6—1 基本概念与相律 一、??? 概述 相变：物质从一个相迁移到另一个相的过程叫相变。 相平衡：当系统内有两个以上的相共存时，长时间内，在宏 观上没有任何物质在相间传递，就认为这些相之间达到了平 衡。在多相系统中，如果组分之间只有相的转变而没有化学 反应发生，这种系统所达到的平衡叫相平衡。 相平衡研究多相系统中相的平衡问题，即主要研究多相 系统的状态随温度、压力、组分浓度的变化而变化的规律。 表示这种变化规律的几何图形叫相平衡图，简称相图。 相图在生产、科研中的应用： ①?对实际生产的指导 ②?在新材料、新产品研制上的应用 相平衡图与实际生产之间存在着一定的差距，其原因是： ①相平衡所研究的系统是平衡系统，而实际生产一 般达不到平衡状态。因为：(a)系统达到平衡需要的时间相当长，实际生产有产量、质量要求，不可能有足够的时间让其达到平衡。(b)硅酸盐系统是高粘度系统，不易达到平衡。(c)相平衡图制作一般是由高温到低温，实际生产是由低温到高温，前者比较容易达到平衡。 ②相平衡研究用的是纯物质，实际生产所用原料含 有杂质。 二、??? 基本概念 1、相 系统内物理、化学性质相同，并且完全均匀的部分 叫做相。相与相之间有界面，可以用物理的或机械的方 法把它们分开。 相与物质的量的多少和物质是否连续无关。 系统所含相的个数叫相数（p）。根据相数，系统分 为：单相系统（p=1）、二相系统（p=2）、三相系统 （p=3）… 2、组分 指足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少 数目的化学纯物质。 系统中组分的数目叫组分数（c）。 组分数与物种数的关系： 当系统中没有化学反应存在时 组分数 = 物种数 当系统中有化学平衡存在时 组分数 = 物种数 - 独立的化学反应 如 CaCO3、CaO、CO2 系统，低温时：c=3 高温时由于三者之间存在着 1 个化学平衡，故： c=2 按照组分数可以将系统分为：单元系统（c=1）、二 元系统（c=2） 、三元糸统（c=3）… 每个组分可以是单质也可以是化合物，硅酸盐系统 中常用氧化物或化合物做为组分，如：CaO-C2S-C12A7系 统、CaO-C2S-C12A7 –C4AF 系统等。 3、自由度 在相平衡系统中，在一定范围内可以任意改变而不致 引起新相产生或旧相消失的变量。这些变量一般指温度、 压力、组分的浓度等。 系统中有几个独立变量，系统的自由度数就是几。自 由度数用符号f 表示。 例：一杯水的开放系统： 在一定范围内温度、压力都可以 独立改变，故： f=2。 水和水蒸汽组成的封闭系统：温度和压力两个变量中 只有一个是独立可变的。温度为 100℃ 时，压力为 760 mmHg，当温度降为 50℃ 时，压力必须为 92.5mmHg。 所以系统的f=1。 水、蒸汽和冰组成的系统：温度和压力都不能改变。 所以f=0. 按照自由度数的不同，可将系统分为：无变量系统 （f=0）、单变量系统（f=1）、双变量系统（f=2）… 三、?? 相律 相律表达式： f = c-p+n (n是影响平衡的外界因素数) 一般相律表达式﹕ f = c-p+2 (n=2，只考虑温度、压力的影响) 凝聚系统相律表达式﹕ f = c-p+1 （n=1，只考虑温度的影响） 相律是根据化学位相等推导出来的，因此只适用于 平衡系统。 §6-2 单元系统相图 一、单元系统相图的表示方法 单元系统中 c=1 根据相律 f=c-p+2=3-p pmin=1 fmax=2 （T和P） fmin=0 pmax=3 （系统中最多3相平衡共存） 所以，单元系统相图用P-T图（压力—温度图）表 示，横坐标为温度，纵坐标表示压力。 图中每一个点都代表了系统所处的一定平衡状态， 因此这些点叫做“状态点”。 二、H2O相图（最简单的单元系统相图） 相图分析： 单相区 两相平衡共存的线 三相点 在单元系统中，相同温 度下蒸气压小的相比较稳定。 在单元系统中，每条曲 线的斜率都可由克劳修斯— 克拉普隆方程确定： 四、 SiO2系统相图 1、SiO2的多晶转变（常压、有矿化剂的条件下） 870℃ 1470℃ 1