无机非金属材料基础：第四章 相平衡与相图第一节相平衡.ppt

第四章 相图与相变 L A+B A B L+A L+B wB% 为什么要学习“相平衡”知识？ 自然界的各种物质存在形式包括气态、液态和固态三种状态； 各种物质随着温度、压力等热力学条件的变化，其存在状态以及组成会发生相应变化； 在一定的热力学条件下达到平衡时，系统存在的相的数目、每个相的组成和相对含量存在一定的规律； 确定某个系统相的数目、组成以及相对含量对于多相体系的研究具有非常重要的意义； 特别是对于从事材料科学与工程专业的人员来说，掌握相平衡的基本原理，熟练地分析相图，可以指导我们选择正确的材料配方方案、制定合理的材料工艺、以及研究新材料具有更加重要的意义。 所以，～。 第一节 无机非金属材料相平衡的特点 第二节 典型陶瓷相图 第三节 相变 章节安排 第一节 无机非金属材料相平衡的特点 什么是相平衡？ 在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。 各组元在各相中的化学势相同。 多相平衡理论的由来 1876年，美国学者吉布斯（Gibbs）以热力学为工具，推导出了多相平衡体系遵循的规律，即相律。 相律被认为自然界中最普遍的规律之一。 无机非金属材料系统的相平衡也理所当然地符合这样一个普遍规律； 同时，由于无机非金属材料是一种多相固体材料，存在着自己的特殊性，与一般的气相、液相不同，无机非金属材料的多相平衡理论也有其特殊性。 一、相图 看如下两个例子： 1、0℃水 结晶 冰 （快） 2、SiO2高温熔体 结晶 方石英 （慢） ★为什么？ 热力学！动力学！（抛开动力学因素，只考虑热力学条件，如何描述多相体系平衡状态呢？） 1、相图在一个多相系统中，该系统在一定的热力学条件下达到平衡时，把相的组成、种类、数目以及含量绘制成一定的几何图形叫做相图。●表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。●表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡状态图。 2、相图的特点 （1）热力学属性。相图表示的是一个体系所处的热力学平衡态。 （2）不反映动力学因素。不管达到平衡所需时间，时间长短由系统性质决定。 （3）相图所指示的平衡状态表示了在一定条件下所进行的物理化学变化的本质、方向和限度。 3、平衡态与非平衡态（1）平衡态：即一定热力学条件下，系统中各相所处的最低自由能状态。（2）非平衡态：较高自由能状态，又叫介稳态。举例说明：例如：方石英4、非平衡态的意义（1）实际生产和研究过程中，综合考虑（2）非平衡态有积极意义 二、吉布斯相律 Gibbs以热力学定律为基础，提出了相律。 只有满足以下关系式，系统才能出现平衡。 即：自由度数=独立组分数-相数+外界因素 亦即：f=c-p+n 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响: f=c-p+2 1、系统 系统：就是“选择的研究对象”。 环境：与系统相对的，系统以外的其它因素都称之为环境。 平衡状态：当外界条件不变时，系统的各种性质不随时间而变化，则该系统处于平衡状态。 2、组分（系统内部因素之一） （1）组分：指系统中每一个可以独立分离出来，并能够独立存在的化学物质。（两个独立） 在一个给定的系统中，组分就是构成系统的各种化学元素或化合物。 化学元素：Cu, Ni, Fe等金属 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2 等无机物 （2）组分数：组分的数目。 （3）独立组分：表示形成平衡系统中各相组成所需要的最小数目的化学纯物质。 （4）独立组分数：独立组分的数目称为~。用字母c表示。 举例说明： CaCO3、CaO、CO2系统，高温反应时和平衡时情况。 3、相（系统内部因素之一） 概念：系统内部物理和化学性质相同，并且完全均匀的部分称为相。 相数：一个系统中所含相的数目称为~。用字母p表示。 相组成：一个相在物理和化学性质上必须是相同、均匀，但不一定只含有一种物质。 （1）不同气体均匀混合——一个相（空气） （2）真溶液——一个相（如NaCl水溶液） （3）机械混合物——多相 （4）组分间生成化合物——一个新相 （5）固溶体——一个相 （6）同质多晶——多相 （7）高温熔体——（均匀为一个相，若分层则为两相） （8）介稳变体——相图上用虚线表示。 4、影响系统平衡的外界因素 用字母n表示。 通常指温度和压力两个参数。 5、自由度 概念：相平衡体系中可以独立改变的变量（温度、压力、组分浓度等）成为自由度。 自由度数：自由度的数目称为自由度数，用字母f 表示。 6、凝聚系统的相律 由于凝聚态不含气相或者气相可以忽略，所以，压力对系统没有影响，外界因素中只有温度一个参数，这时n=1 因此，凝聚系统的相律为：f=c-p+1 第二节 典型陶瓷相图-单元系统相