材料熱力學(xué)-熱力學(xué)基本原理課件

材料熱力學(xué)

材料熱力學(xué)1什么是材料熱力學(xué)材料熱力學(xué)是熱力學(xué)基本原理在材料設(shè)計(jì)、制備與使用過程中的應(yīng)用，包括相平衡（相圖）熱力學(xué)、相變熱力學(xué)等相圖反映的是物質(zhì)的存在狀態(tài)，而熱力學(xué)反映的是物質(zhì)所包含的能量，而能量是物質(zhì)狀態(tài)變化的起因與，因此相圖與熱力學(xué)有非常密切的關(guān)系，目前材料熱力學(xué)主要內(nèi)容是相圖（或相平衡）熱力學(xué)本課程包括熱力學(xué)基本原理回顧、熱力學(xué)在冶金材料過程中的應(yīng)用、相平衡熱力學(xué)與相圖計(jì)算，相圖與合金設(shè)計(jì)什么是材料熱力學(xué)材料熱力學(xué)是熱力學(xué)基本原理在材料設(shè)計(jì)、制備與2熱力學(xué)基本原理回顧熱力學(xué)基本原理回顧3通用熱力學(xué)基本概念體系：熱力學(xué)上，我們具體的研究對象稱為體系。環(huán)境：與體系有能量交換的部分。平衡狀態(tài)：在體系的與外界不存在能量交換的情況下，熱力學(xué)體系所處狀態(tài)。狀態(tài)變量：能夠引起體系能量發(fā)生變化的可控變量，如：溫度、壓力、成份等。狀態(tài)函數(shù)：以狀態(tài)變量為自變量，用來描述體系熱力學(xué)狀態(tài)的一些量，如：焓、熵、自由能等。狀態(tài)一定，描述系的狀態(tài)變量與狀態(tài)函數(shù)值一定。通用熱力學(xué)基本概念體系：熱力學(xué)上，我們具體的研究對象稱為體系4通用熱力學(xué)基本概念容量性質(zhì)：在狀態(tài)函數(shù)與狀態(tài)變量中，隨體系所含物質(zhì)多少變化而變化的性質(zhì)，稱為容量性質(zhì)，如：內(nèi)能、焓、熵、自由能等。1摩爾物質(zhì)所對應(yīng)的容量性質(zhì)稱為摩爾量，如：摩爾分?jǐn)?shù)、摩爾內(nèi)能、摩爾焓、摩爾熵、摩爾自由能等。摩爾量仍然是容量性質(zhì)。平衡狀態(tài)下，體系的每一部分，容量性質(zhì)可以不相同，如：在處于平衡狀態(tài)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。強(qiáng)度性質(zhì)：在狀態(tài)函數(shù)與狀態(tài)變量中，不隨體系所含物質(zhì)多少變化而變化的性質(zhì)，稱為強(qiáng)度性質(zhì)。平衡狀態(tài)下，體系的每一部分，強(qiáng)度性質(zhì)必需相等，如：在處于平衡狀態(tài)的某一材料中，不同的相有相同的溫度、壓力、化學(xué)位等。

通用熱力學(xué)基本概念容量性質(zhì)：在狀態(tài)函數(shù)與狀態(tài)變量中，隨體系所5熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念內(nèi)能：某一熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，體系所包含的能量總和。內(nèi)能沒有絕對值。熱力學(xué)第一定律：體系內(nèi)能的增量等于體系從環(huán)境中吸收的熱量Q與體系對環(huán)境所作功W之差。在恒容、不做非體積功的情況下：熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念內(nèi)能：某一熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，體6熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念恒容熱容：在不發(fā)生相變與化學(xué)變化、恒容、不做非體積功的情況下體系每升高1度體系所需吸收的熱量:

在不發(fā)生相變與化學(xué)變化的情況下，溫度由T1升高至T2所引起的內(nèi)能變化為：

在發(fā)生相變與化學(xué)變化的情況下，內(nèi)能的變化必須加上由于相變與化學(xué)變化引起的內(nèi)能增量。熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念恒容熱容：在不發(fā)生相變與化學(xué)變7熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念焓：H=U+PV由于我們常見的狀態(tài)轉(zhuǎn)變都時(shí)在1大氣壓的情況下發(fā)生的，因此在用包含壓力的狀態(tài)函數(shù)對我們解決問題更有利，為此我們定義了焓。焓是熱力學(xué)中常用的熱力學(xué)函數(shù)，與內(nèi)能一樣，焓沒有絕對值。在恒壓、不做非體積功的情況下：熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念焓：H=U+PV8熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念恒壓熱容：在不發(fā)生相變與化學(xué)變化、恒壓、不做非體積功的情況下體系每升高1度體系所需吸收的熱量：在不發(fā)生相變與化學(xué)變化的情況下，溫度由T1升高至T2所引起的焓變?yōu)椋涸诎l(fā)生相變與化學(xué)變化的情況下，焓的變化必須加上由于相變與化學(xué)變化引起的焓增量。常見的焓變有：化合物的生成熱（焓變）、溶液的混合熱（焓變）、相變熱（焓變）、化學(xué)反應(yīng)熱（焓變）、燃燒熱（焓變）等。相變與化學(xué)變化過程中的焓變遵循Hess定律：相變與化學(xué)反應(yīng)無論是一步還是幾步完成，只要起始狀態(tài)與終止?fàn)顟B(tài)相同，其變化引起的焓變相等。熱力學(xué)第一定律及其相關(guān)基本概念恒壓熱容：在不發(fā)生相變與化學(xué)變9熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念可逆過程：經(jīng)過一個(gè)循環(huán)后體系與環(huán)境都不產(chǎn)生變化的過程稱為熱力學(xué)可逆過程，反之為熱力學(xué)不可逆過程。熵：可逆過程中，體系吸收的熱量與溫度之商。

從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的角度，熵是體系混亂度的量度,

該式稱為Boltzman關(guān)系式，k為波爾茲曼常數(shù)，

為混亂度，即體系可能的微觀狀態(tài)數(shù)，體系可能的微觀狀態(tài)數(shù)越多，混亂度越大，熵越大。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念可逆過程：經(jīng)過一個(gè)循環(huán)后體系與10材料熱力學(xué)-熱力學(xué)基本原理ppt課件11熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念化學(xué)反應(yīng)過程中生成物的熵的總和減去反應(yīng)物熵的總和即化學(xué)反應(yīng)的熵變。在不做非體積功的情況下，對于可逆過程有：Qrev=SdTdU=Q-PdV=SdT-PdVdH=d(U+PV)=dU+PdV+VdP=SdTPdV+PdV+VdP=SdT+VdP恒壓可逆情況下，體系由溫度T1上升到T2的熵變?yōu)椋簾崃W(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念化學(xué)反應(yīng)過程中生成物的熵的總和12熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念熱力學(xué)第二定律：孤立體系的自發(fā)不可逆過程總是向熵增加的方向進(jìn)行。換句話說，對于某一過程體系與環(huán)境的熵變和為零，則該過程可逆，體系與環(huán)境處于平衡狀態(tài)；體系與環(huán)境的熵變和大于零，體系與環(huán)境不平衡，該過程能自發(fā)進(jìn)行，直至達(dá)到平衡狀態(tài)；體系與環(huán)境的熵變和小于零，體系與環(huán)境不平衡，該過程能自發(fā)沿反方向進(jìn)行，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念熱力學(xué)第二定律：孤立體系的自發(fā)13熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念Gibbs自由能：G=H-TS；Helmholtz自由能：F=U-TS不做非體積功的情況下可逆過程dG=d(H-TS)=dH-TdS-SdT=SdT+VdP-TdS-SdT=-TdS+VdPdF=d(U-TS)=dU-TdS-SdT=SdT-PdV-TdS-SdT=-TdS-PdV與內(nèi)能和焓一樣，Gibbs自由能與Helmholtz自由能也沒有絕對值Gibbs自由能與Helmholtz自由能的變化可以由焓變、熵變、內(nèi)能的變化求出來對于等溫反應(yīng)：熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念Gibbs自由能：G=H-TS14熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念在恒溫、恒容、不做非體積功的情況下：為體系熱力學(xué)過程所引起的環(huán)境熵變。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和大于零，過程能自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和等于零，體系處于平衡狀態(tài)。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和小于零，過程自發(fā)向反方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念在恒溫、恒容、不做非體積功的情15熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念同理，在恒溫、恒壓、不做非體積功的情況下：為體系熱力學(xué)過程所引起的環(huán)境熵變。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和大于零，過程能自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和等于零，體系處于平衡狀態(tài)。當(dāng)即，體系與環(huán)境熵變的總和小于零，過程自發(fā)向反方向進(jìn)行。由于通常情況下，相變與化學(xué)變化都是在恒壓的情況下進(jìn)行，因此我們常用Gibbs自由能來判斷熱力學(xué)過程進(jìn)行的方向與限度。平衡狀態(tài)下，Gibbs自由能最小。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念同理，在恒溫、恒壓、不做非體積16平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)17熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念平衡狀態(tài)熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念平衡狀態(tài)18ooABABxGibbsfreeenergypermoleCompositionmmG{x}freeenergyofmechanicalmixture?GMfreeenergyofsolutionG*ooABABxGibbsfreeenergyperm19熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念在恒壓情況下，由于溫度升高所引起的反應(yīng)Gibbs自由能變化可以用下式求出：

其中、分別為298Ｋ，１大氣壓下，該過程的焓變與熵變。

Cp為該過程的熱容變化。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念在恒壓情況下，由于溫度升高所引20熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念如果我們知道了Gibbs自由能，就可以計(jì)算出其它熱力學(xué)量：熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念如果我們知道了Gibbs自由能21熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念其中，除了上面介紹過的熱力學(xué)變量與熱力學(xué)函數(shù)外，α為材料的恒壓熱膨脹系數(shù)，表示恒壓下，溫度每升高1度所引起的材料伸長率；

為恒溫壓縮系數(shù)，表示恒溫下，壓力每增高1帕斯卡所對應(yīng)的體積變化率；為化學(xué)位，表示恒溫恒壓下無限大的體系中增加1摩爾i所產(chǎn)生的Gibbs自由能增量；為活度，i的活度等于多組分溶液中，i的蒸汽壓除以純i在同一溫度下的蒸汽壓。為了進(jìn)行相圖計(jì)算必須選取一個(gè)熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)作為熱力學(xué)模型的模型函數(shù)。由于實(shí)際相圖與熱力學(xué)測量數(shù)據(jù)恒溫恒壓數(shù)據(jù)比較多，因此一般選Gibbs自由能作為模型函數(shù)。如果我們知道了Gibbs自由能，根據(jù)以下關(guān)系式可以求出其它熱力學(xué)量。熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)基本概念其中，除了上面介紹過的熱力學(xué)變22熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律絕對零度下，純的完整晶體的熵為零，這就是熱力學(xué)第三定律，從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的角度，在絕對零度下，純的完整晶體只有一種組態(tài)。與內(nèi)能、焓、Gibbs自由能等能量不同，熵有絕對值。熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律23歸納在不做非體積功的情況下：dU=Q-PdV可逆過程：Qrev=SdT在不做非體積功的情況下，可逆過程：dU=SdT-PdVd