材料熱力學(xué) 課件 1-第一章 基本知識(shí)-1

任課教師：王錦程O(píng)ffice：友誼校區(qū)創(chuàng)新大廈1318Telmail：jchwang@

材料熱力學(xué)是材料學(xué)科的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，與物理系的“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”和化學(xué)系的“化學(xué)熱力學(xué)”三足鼎立。材料熱力學(xué)是世界一流大學(xué)材料專業(yè)的必修課，MIT在1960年代設(shè)立材料科學(xué)系時(shí)，材料熱力學(xué)是其教學(xué)計(jì)劃中專業(yè)課的第一門(mén)課程。材料熱力學(xué)晶體學(xué)固體化學(xué)固體物理動(dòng)力學(xué)課程的重要性材料科學(xué)基礎(chǔ)課程2/36熱力學(xué)三大定律界面熱力學(xué)、溶液熱力學(xué)相圖熱力學(xué)、相變熱力學(xué)概念抽象、難以理解公式推導(dǎo)多、適用條件復(fù)雜與實(shí)際的材料研究問(wèn)題關(guān)系密切課程特點(diǎn)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)方法對(duì)每一個(gè)基本概念和定義反復(fù)思考、抓住本質(zhì)對(duì)基本公式和結(jié)論要掌握其來(lái)龍去脈和前提條件掌握處理問(wèn)題的基本方法和高質(zhì)量完成一定數(shù)量的習(xí)題課程主要內(nèi)容及特點(diǎn)3/36材料熱力學(xué)課程組，《材料熱力學(xué)》，2023，機(jī)械工業(yè)出版社徐祖耀、李麟，材料熱力學(xué)，2005(第三版），科學(xué)出版社沈文霞，物理化學(xué)核心教程，2009(第二版)，科學(xué)出版社朱文濤，清華大學(xué)，基礎(chǔ)物理化學(xué)(上冊(cè))，2011，清華大學(xué)出版社

主要參考書(shū)4/36W.C.Carter,Thermodynamicsofmaterials,2002(MIT材料系本科課程)/3.00/index.html.朱文濤《基礎(chǔ)物理化學(xué)》講課視頻/video/av4908315/吳鏘《材料物理化學(xué)》講課視頻

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提取碼:m5jb西北工業(yè)大學(xué)《材料熱力學(xué)》MOOC（異步SPOC）

/course/NWPU-1207047801主要參考材料5/36王錦程李俊杰第7周周末期中考試第11-16周《材料熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)》（配套課程）課程安排8.相圖的熱力學(xué)分析與計(jì)算9.相變熱力學(xué)11.界面熱力學(xué)6.多元系統(tǒng)熱力學(xué)II-化學(xué)勢(shì)表達(dá)式及其應(yīng)用7.相平衡狀態(tài)圖基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用拓展1.基本知識(shí)2.熱力學(xué)第一定律3.熱力學(xué)第二、三定律4.熱力學(xué)函數(shù)及基本關(guān)系式5.多元系統(tǒng)熱力學(xué)I-基本熱力學(xué)描述材料熱力學(xué)6/36平時(shí)成績(jī)30%（作業(yè)15分+SPOC成績(jī)10分+課堂表現(xiàn)5分）期中考試20%期末考試50%考核作業(yè)課間答疑QQ答疑（QQ群：931530131、騰訊在線文檔）考試前集中答疑答疑課程安排、作業(yè)、答疑及考核電子版、全部批改課程安排7/361.1熱力學(xué)簡(jiǎn)介1.2熱力學(xué)基本概念1.3氣體概述1.4濃度的表示方法1.5熱力學(xué)中常用的數(shù)學(xué)知識(shí)第一章基本知識(shí)8/36熱是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力，是地球上一切生命的源泉——恩格斯人們很早就發(fā)現(xiàn)做功能使物體發(fā)熱，但很晚才明白讓熱的物體冷卻可用來(lái)做功蒸汽機(jī)的發(fā)展極大促進(jìn)了熱力學(xué)的發(fā)展太陽(yáng)輻射能化學(xué)反應(yīng)機(jī)械作用熱力學(xué)的引出9/36動(dòng)力(Power,energy,forceormotioninrelationtoforce)1849年Kelvin首次使用Thermodynamics一詞熱力學(xué)Thermodynamics=Thermo+Dynamics熱(Heat)熱力學(xué)的最初任務(wù)：熱與功的關(guān)系熱力學(xué)(Thermodynamics)：過(guò)程的可能性動(dòng)力學(xué)(Kinetics)：過(guò)程的現(xiàn)實(shí)性熱力學(xué)的引出LordKelvin(1824-1907)WilliamThomson10/36

熱力學(xué)的特點(diǎn)：

熱力學(xué)的基本任務(wù)：(1)方向(2)限度(3)能量轉(zhuǎn)換(4)宏觀性質(zhì)熱力學(xué)的任務(wù)與特點(diǎn)11/36特點(diǎn)局限性解決辦法宏觀方法只適用于粒子數(shù)很多的宏觀系統(tǒng)不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不追求微觀機(jī)制和本質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)論統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)非平衡熱力學(xué)不能處理非平衡問(wèn)題不涉及時(shí)間因素平衡態(tài)經(jīng)典熱力學(xué)的局限性12/360thLaw?定義溫度(T)

1stLaw?定義能量(U)2ndLaw?定義熵(S)

3rdLaw?給出熵的數(shù)值

熱力學(xué)基本定律13/36熱力學(xué)的主要基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律及第二定律，它們是人類長(zhǎng)期實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。熱力學(xué)是具有最大普遍性的一門(mén)科學(xué)，不提出任何一個(gè)特殊模型，可應(yīng)用于任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)。至今未發(fā)現(xiàn)過(guò)實(shí)踐中與熱力學(xué)理論所得結(jié)論相反的情況。JWattSCarnotJPJouleRMayerRClausiusLKelvinMPlanckLBoltzmannJWGibbsJCMaxwellACelsiusHelmholtzThermodynamicsofMaterials熱力學(xué)的發(fā)展歷史14/36平衡態(tài)熱力學(xué)非平衡態(tài)熱力學(xué)經(jīng)典熱力學(xué)

統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)熱力學(xué)工程熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)材料熱力學(xué)……熱力學(xué)的分類不涉及物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部粒子的微觀結(jié)構(gòu)，只涉及物質(zhì)系統(tǒng)變化前后狀態(tài)的宏觀性質(zhì)。借助統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，深入涉及分子（或原子）微觀態(tài)的各種熱運(yùn)動(dòng)。15/36工程熱力學(xué)

應(yīng)用于機(jī)械工程的物理化學(xué)化學(xué)熱力學(xué)(物理化學(xué))

應(yīng)用于化學(xué)現(xiàn)象或與化學(xué)有關(guān)的物理現(xiàn)象材料熱力學(xué)

在引述熱力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，著重以固體材料為例說(shuō)明這些原理的應(yīng)用，實(shí)則是化學(xué)熱力學(xué)的引伸。經(jīng)典熱力學(xué)的衍生16/361873GraphicalMethodsintheThermodynamicsofFluids相律相圖Gibbs自由能化學(xué)勢(shì)JosiahWillardGibbs1839-1903材料熱力學(xué)的誕生1878OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstancesAcopyoftheplastermodelsentbyMaxwelltoGibbs,heldbyYale'sPeabodyMuseumofNaturalHistory.“Thegreatestmind

inAmericanhistory”ByRichardPanek17/36獲得滿足某種特殊性能或用途的、具有最佳顯微組織的材料。Structure/Composition結(jié)構(gòu)/成分Properties性質(zhì)/性能Processing加工工藝Performance服役性能研究各種材料的組成、結(jié)構(gòu)(組織)、制備加工工藝、材料性能和使用效能以及它們之間關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)的核心任務(wù)18/36材料科學(xué)的四個(gè)重要概念和共性問(wèn)題：性能、結(jié)構(gòu)(組織)、過(guò)程和能量材料性能決定于組織結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)決定于能量和過(guò)程材料研究從形式和目的上來(lái)看是研究材料的結(jié)構(gòu)和性能，而從根本上講是研究材料的能量和過(guò)程，即熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。性能結(jié)構(gòu)(組織)能量（熱力學(xué)）過(guò)程（動(dòng)力學(xué)）材料科學(xué)與材料熱力學(xué)材料熱力學(xué)是材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和工具方法。19/361.1熱力學(xué)簡(jiǎn)介1.2熱力學(xué)基本概念1.3氣體概述1.4濃度的表示方法1.5熱力學(xué)中常用的數(shù)學(xué)知識(shí)第一章基本知識(shí)20/36環(huán)境(surroundings)：與系統(tǒng)密切相關(guān)、影響所能及的部分稱為環(huán)境邊界(boundary)：剛性邊界，不作功；氣密邊界，不傳質(zhì)；絕熱邊界，不傳熱系統(tǒng)(system)：研究的對(duì)象(大量分子、原子、離子等物質(zhì)微粒組成的宏觀集合體)。人為地將所研究的一定范圍內(nèi)的物體或空間與其余部分分開(kāi)，作為研究的對(duì)象。系統(tǒng)和環(huán)境21/36

絕熱壁水水蒸氣

孤立系統(tǒng)水為封閉系統(tǒng)液態(tài)水為開(kāi)放系統(tǒng)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的分類22/36熱平衡—系統(tǒng)各部分的溫度相等；若系統(tǒng)不是絕熱的，則系統(tǒng)與環(huán)境的溫度也要相等。力平衡—系統(tǒng)各部分的壓力相等；系統(tǒng)與環(huán)境的邊界不發(fā)生相對(duì)位移。相平衡—系統(tǒng)所含有各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間而變?；瘜W(xué)平衡—若系統(tǒng)各物質(zhì)間可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則達(dá)到平衡后，系統(tǒng)的組成不隨時(shí)間改變。定義：系統(tǒng)在一定環(huán)境條件下，經(jīng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，其各部分可觀測(cè)到的宏觀性質(zhì)都不隨時(shí)間而變，此時(shí)系統(tǒng)所處的狀態(tài)叫熱力學(xué)平衡態(tài)。熱力學(xué)平衡態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部平衡系統(tǒng)與環(huán)境平衡平衡態(tài)(equilibrium)穩(wěn)態(tài)(steadystate)ABABC平衡態(tài)穩(wěn)態(tài)23/36穩(wěn)態(tài)不一定滿足系統(tǒng)與環(huán)境間的平衡溫度、壓力、物質(zhì)的量、體積

系統(tǒng)具有的外在宏觀表現(xiàn)形式狀態(tài)函數(shù)：狀態(tài)方程:系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)狀態(tài):

狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)之間的定量關(guān)系式無(wú)組分變化的均相系統(tǒng)

雙獨(dú)立變量系統(tǒng)24/36狀態(tài)函數(shù)：系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)系統(tǒng)的諸多性質(zhì)中只有部分是獨(dú)立的，即某一性質(zhì)是其他性質(zhì)的函數(shù)。狀態(tài)確定時(shí)，狀態(tài)函數(shù)具有確定單一數(shù)值。狀態(tài)函數(shù)的增量與路徑無(wú)關(guān)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)循環(huán)后，其狀態(tài)函數(shù)的增量為零。狀態(tài)函數(shù)在數(shù)學(xué)上具有全微分的性質(zhì)。狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)

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與偏微分不同，全微分反映了函數(shù)關(guān)于其所有自變量的線性近似，而非單個(gè)自變量。在微積分中，函數(shù)在某一點(diǎn)的全微分是指該函數(shù)在該點(diǎn)附近的變化關(guān)于其自變量的最佳線性近似。

多元函數(shù)的全微分等于其各個(gè)偏微分之和狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)26/36廣度性質(zhì)（extensiveproperties）

又稱為容量性質(zhì)，數(shù)值與系統(tǒng)的物質(zhì)的量成正比，如體積、質(zhì)量、熵等，有加和性，一次齊函數(shù)。強(qiáng)度性質(zhì)（intensiveproperties）

其數(shù)值取決于系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，與系統(tǒng)的數(shù)量無(wú)關(guān)，無(wú)加和性，如溫度、壓力等，零次齊函數(shù)。指定了物質(zhì)的量的容量性質(zhì)即成為強(qiáng)度性質(zhì)，如摩爾體積。與系統(tǒng)的尺寸和范圍無(wú)關(guān)，如溫度、壓強(qiáng)、粘度、密度等。與系統(tǒng)的尺寸和范圍有關(guān)，具有加和性，如質(zhì)量、體積、內(nèi)能、熵等。廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)

27/36下列說(shuō)法正確的是狀態(tài)給定后，狀態(tài)函數(shù)就有定值；所有狀態(tài)函數(shù)固定后，狀態(tài)也就固定了。系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)的變化不僅取決于系統(tǒng)初、末狀態(tài)，還與變化過(guò)程有關(guān)。熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)一定是平衡條件下的性質(zhì)。ABC提交狀態(tài)改變后，狀態(tài)函數(shù)一定都改變。D經(jīng)循環(huán)過(guò)程，狀態(tài)函數(shù)的值不變。E狀態(tài)函數(shù)有加和性。F多選題1分28/36過(guò)程(process)從始態(tài)到終態(tài)的具體步驟稱為途徑。在一定的環(huán)境條件下，系統(tǒng)發(fā)生了一個(gè)從始態(tài)到終態(tài)的變化，稱為系統(tǒng)發(fā)生了一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程。途徑(path)按系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)變化分簡(jiǎn)單物理過(guò)程：p、V、T變化復(fù)雜物理過(guò)程：相變、混合等化學(xué)過(guò)程：化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程與途徑29/36過(guò)程與途徑等溫過(guò)程（Isothermalprocess)

等壓過(guò)程（Isobaricprocess)

等容過(guò)程（Isochoricprocess)

絕熱過(guò)程（Adiabaticprocess)

變化過(guò)程中，系統(tǒng)與環(huán)境不發(fā)生熱的傳遞

循環(huán)過(guò)程（Cyclicprocess)系統(tǒng)從始態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列變化后又回到了始態(tài)的變化過(guò)程

按過(guò)程特點(diǎn)分30/36飽和蒸汽壓在密閉環(huán)境和一定溫度的條件下，與固體或液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強(qiáng)稱為該固體或液體在該溫度時(shí)的飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓是物質(zhì)自身的性質(zhì)，其數(shù)值隨溫度的變化而變化；同一物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨著溫度的上升而迅速增加；固態(tài)的飽和蒸氣壓小于液態(tài)的飽和蒸氣壓。31/36相與相圖相：系統(tǒng)中物理和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的部分。在材料科學(xué)中，通常是指具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。相與相之間有明顯的界面，且其宏觀性質(zhì)在界面上跳躍式改變。氣態(tài)僅有一種相，液態(tài)或固態(tài)可能有多種相材料熱力學(xué)：揭示材料中的相(Phase)和組織(Structures)的形成規(guī)律。32/36組織：材料中有若干相以一定的數(shù)量、形狀、尺寸組合而成的并且具有獨(dú)特形態(tài)的部分。形態(tài)：枝晶組織、晶粒組織