第六章单组元相图及纯晶体的凝固技术报告.ppt

第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 基本概念 单组元晶体（纯晶体）：由一种元素或化合物构成的晶体。 单元系：有单组元晶体构成的体系。 相变：对于纯晶体材料而言，随着温度和压力的变化，材料的组成相随之而变化，从一种相到另一种相的转变 凝固：由液相至固相的转变过程。 结晶：如果凝固后的固体是晶体，则凝固过程为结晶。 固态相变：由不同固相之间的转变。 单元系相图：表示了在热力学平衡条件下所存在的相与温度和压力之间的对应关系，这些相变的规律可借助相图直观简明地表示出来理解，这些关系有助于预测材料的性能。 第一节 单元系相变的热力学及相平衡 一、基本术语 组元（C）：组成一个体系的基本单元 。 单质（元素）和化合物 相（P）：体系中具有相同物理与化学性质的，且与其他部分以界面分开的均匀部分。 通常把具有n个组元都是独立的体系称为n元系 组元数为一的体系称为单元系。 二、 相平衡概念 如果一个多相体系（即P1），宏观上没有任何物质从一相转移到另一相的现象，就称为相平衡体系。 三、自由度 自由度-----在没有旧相消失，没有新相产生的情况下，体系的可变因素称为自由度，用符号f 表示。 水单相时：g、l、s f = 2 T、P 水两相共存：s+l, l+g, s+g f = 1 T∝kP 水三相共存：s+g+l f = 0 特定一点 特定的T、P（T = 273.16 K，P = 610.62 Pa） 四、相律 例1：1 mol H2（g)的性质可以用几个变量进行描述它的性质？ 单组元相律 六、单元系相图 表达多相体系的状态如何随温度、压力、组成等性质变化而变化的图形，称为相图。 单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相的平衡。 单组元相图可用 p – T 平面图来表示 例如：水的相图 2. 水的相图 三个单相区 在气、液、固三个单相区内， P = 1, 则 f = 2 ，温度和压力独立地有限度地变化不会引起相的改变。 三条两相平衡线 P = 2, 则f = 1，压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由体系自定。 O点 是三相点（triple point），气-液-固三相共存，P = 3，则 f= 0。三相点的温度和压力皆由体系自定。 H2O的三相点温度为273.16 K， 0.01 ?C，压力为610.62 Pa。 如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示； 如果外界压力保持恒定，根据相律，在汽、水、冰的各单相区内（f＝1），温度可在一定范围内变动。在熔点和沸点处，两相共存，f＝0，故温度不能变动，即相变为恒温过程。 ?关于几条重要的线 到水的临界点（即温度为 374?C，压力为220 atm）。在此点以外，汽-水分界面不再能确定，液体水不能存在。 即过冷水的化学势高于同温度下冰的化学势，只要稍受外界因素的干扰（如振动或有小冰块或杂质放入），立即会出现冰。 当 T→0 时，ln P → ? ? ，即 P → 0 ， ∴ OB 线理论上可无限逼近坐标原点，只是实验上尚未有能力达到。 OB 线向右上不能超过 “O” 点延伸，因为不存在过热冰。 这是由于克拉贝龙方程： O点：H2O的三相点 在20世纪30年代初这个三相点还没有公认的数据。 1934年我国物理化学家黄子卿等经反复测试，测得水的三相点温度为0.00981℃。 1954年在巴黎召开的国际温标会议确认此数据，此次会议上规定，水的三相点温度为273.16Ｋ。 1967年第13届CGPM(国际计量大会)决议，热力学温度开尔文(Ｋ)是水三相点热力学温度的1/273.16。 水的三相点与冰点的区别 三相点是物质自身的特性，不能加以改变，如H2O的三相点温度为273.16 K，压力为610.62 Pa 冰点是在大气压力下，水、冰、气三相共存。当大气压力为105 Pa时,冰点温度为273.15K，改变外压，冰点也随之改变。 水的三相点与冰点的区别 冰点温度比三相点温度低0.01K是由两种因素造成的： （1）因外压增加，使凝固点下降0.00748 K （2）因水中溶有空气，使凝固点下降0.00241 K 3. 相图的利用 例如：P? ( 760 mmHg ) 下，将温度为 T1 的冰加热到 T2，体系将发生什么变化呢？ T1, P? 时体系状态点在 X，在恒定压力下，将体系加热到温度T2，体系的状态将沿 XY 线而变化。 ∵此时 f = C ? ? +1 = 1 ? 2 + 1 = 0 温度保持