材料化学第4章材料的化学热力学

1、11/7/2021 8:55:18 AM11/7/2021 8:55:18 AM主要内容主要内容v化学热力学基础及应用化学热力学基础及应用v埃灵罕姆图（埃灵罕姆图（Ellingham Diagrams）及其应用）及其应用v相平衡与相图相平衡与相图11/7/2021 8:55:18 AM学习目的学习目的v体会化学热力学在材料研究中的一些运用；体会化学热力学在材料研究中的一些运用；v能解读分析材料工艺中碰到的各种相图。能解读分析材料工艺中碰到的各种相图。11/7/2021 8:55:18 AM4.1 化学热力学基础及应用化学热力学基础及应用v内能内能v焓焓v熵熵v吉布斯自由能吉布斯自由能v反应的方

2、向和进行的限度反应的方向和进行的限度11/7/2021 8:55:18 AM4.1.1 化学热力学回顾化学热力学回顾内能（内能（Internal Energy）v热力学第一定律热力学第一定律能量具有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，而在转化及传递中，能量的总量保持不变。v对于凝聚态封闭体系：UQWUQW= PV=0dUdQ11/7/2021 8:55:18 AMv焓（焓（Enthalpy）HUPV()dHdUd PVdHdQHQ凝凝聚聚态态封封闭闭体体系系11/7/2021 8:55:18 AMv熵（熵（Entropy）可逆过程热效应（QR）与绝对温度

3、的比值： 热力学第二定律热力学第二定律任何自发变化过程始终伴随着隔离体系的总熵值的增加。热力学第三定律热力学第三定律在绝对零度时，任何纯物质的完整晶体的熵都等于零。标准熵:RQST0298K0KSSSS RdQdST11/7/2021 8:55:18 AMv自由能（自由能（Free Energy）等温等压下等温等压下Gibbs自由能自由能吉布斯吉布斯-赫姆霍兹方程赫姆霍兹方程GHTSdGdHTdSGHT S 热力学第二定律热力学第二定律在任何自发变化过程中，自由能总是减少的在任何自发变化过程中，自由能总是减少的 G0，过程不能自发进行；，过程不能自发进行； G=0，过程处于平衡状态。，过程处于

4、平衡状态。化学反应平衡常数：化学反应平衡常数：0ln/KGRT 11/7/2021 8:55:18 AMv化学势化学势 (chemical potential)：, , , ,jjjiiT P niS V niS P nGnUnHn11/7/2021 8:55:18 AM4.1.2 化学热力学在材料研究中的应用化学热力学在材料研究中的应用化学热力学化学热力学原理和方法原理和方法相关数据相关数据材料制备材料制备工艺设计工艺设计新材料开发新材料开发11/7/2021 8:55:18 AM例：冶金工艺金属锌的冶炼锌矿锌矿ZnO金属锌金属锌还原还原2ZnO(s) + CO(g) Zn(s/g) + C

5、O (g) ?0-1300K65.0kJ molH0-11200K180.9kJ molH0-1-1300K13.7J KmolS0-1-11200K288.6J KmolS0-1300K60.89kJ molG0-11200K165.42kJ molG G0= H0-T S0 360.89 10ln10.608.314 300pK 112.512 10pK3( 165.42 10 )ln7.1978.314 1200pK 71.574 10pK 300K1200K11/7/2021 8:55:19 AM4.2埃灵罕姆图及其应用埃灵罕姆图及其应用 Ellingham Diagramsv埃灵罕姆

6、图埃灵罕姆图 G0-T关系图关系图v G0-T为近似线性关系为近似线性关系 0GABT000GHT S 4.2.1 埃灵罕姆图埃灵罕姆图 11/7/2021 8:55:19 AMCorrection:the unit for G0 should be KJmol-111/7/2021 8:55:19 AM G0-T线的斜率：线的斜率：v氧化过程气体数目减少，则氧化过程气体数目减少，则 S00，斜率为正斜率为正。金属金属+O2金属氧化物金属氧化物v氧化过程气体数目增加，则氧化过程气体数目增加，则 S00, (- S0)0，斜率为负斜率为负。v氧化过程气体数目不变，则氧化过程气体数目不变，则 S0

7、=0, (- S0)=0，斜率为零斜率为零，即，即 G0几乎与温度无关。几乎与温度无关。22C(s) +O (g)=CO (g)22C(s) +O (g)=2CO(g)11/7/2021 8:55:19 AMv利用埃灵罕姆图，可在很宽的温度范围内研究各种材料的热力学性质及氧化还原性质，为材料的制备和使用以及新材料的研究开发提供依据和参数。 4.2.2 埃灵罕姆图的应用埃灵罕姆图的应用 11/7/2021 8:55:19 AM 氧化物生成平衡及控制氧化物生成平衡及控制 201OlnGRTP温度温度T下的平衡压力下的平衡压力2O ,eqTP 在一定温度下，通过调在一定温度下，通过调节

8、氧气压力，就可控制节氧气压力，就可控制反应进行的方向反应进行的方向 11/7/2021 8:55:19 AM 氧化物稳定性比较氧化物稳定性比较 v G0-T曲线越在下方，金属氧化物的曲线越在下方，金属氧化物的 G0负值越大，负值越大，其稳定性也就越高。其稳定性也就越高。 v在给定温度下，位于下方的在给定温度下，位于下方的 G0-T曲线所对应的元曲线所对应的元素能使上方素能使上方 G0-T线的金属氧化物还原。线的金属氧化物还原。位于位于H2O生成线上方的金属氧化物都可被氢还原。生成线上方的金属氧化物都可被氢还原。 v所研究的氧化还原反应两条直线之间的距离在给定所研究的氧化还原反应两

9、条直线之间的距离在给定温度下就代表了反应的标准自由能变化温度下就代表了反应的标准自由能变化 G0。 11/7/2021 8:55:19 AM例：例：TiO2与与MgO的比较的比较vTiO2生成线位于生成线位于MnO生成线的下方，即表明前者生成线的下方，即表明前者的稳定性大于后者。的稳定性大于后者。v1000下两条氧化物生成线之间的距离：下两条氧化物生成线之间的距离： G00，因此标准状态下纯金属，因此标准状态下纯金属Ti可还原可还原MnO。o0221000 CTi(s) + O (g) = TiO (s) 674.11kJG o021000 CMn(s) + O (g) = 2MnO(s) 5

10、86.18kJG o021000 CTi(s) + 2MnO(s) = 2Mn(s) + TiO (s) 87.93kJG 11/7/2021 8:55:19 AM 还原能力的相互反转还原能力的相互反转 v当两根氧化物生成线在某特定温度相交时，则当两根氧化物生成线在某特定温度相交时，则两个元素的相对还原能力便相互反转。两个元素的相对还原能力便相互反转。 v由于由于CO生成线生成线斜率为负斜率为负，随着温度升高，随着温度升高， G0越负，越负，CO稳定性越高。稳定性越高。只要温度足够高，图中出现的氧化物均可被还原。只要温度足够高，图中出现的氧化物均可被还原。11/7/2021 8:

11、55:19 AM4.3 相平衡与相图相平衡与相图 v相（相（phase）成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分。 v不同相之间有明显的界面分开，该界面称为相相界面界面。 v相图（相图（phase diagram）用几何（图解）的方式来描述处于平衡状态下物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。 利用相图，可以了解不同成分的材料，在不同温利用相图，可以了解不同成分的材料，在不同温度时的平衡条件下的状态，由哪些相组成，每个度时的平衡条件下的状态，由哪些相组成，每个相的成分及相对含量等，还能了解材料在加热冷相的成分及相对含量等，还能了解材料在加热冷却过程中可能发生的转变。却过程中可能发生的转变。1

12、1/7/2021 8:55:19 AM4.3.1 相平衡与相律相平衡与相律v组元（组元（Component） 系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质。单元系、二元系、三元系 v相平衡（相平衡（Phases Equilibrium） 在一定的成分、温度和压力下，各组成相之间的物质转移达到了动态平衡，这时组成相的成分、数量不再变化。v各组元在各相中的化学势相同：1122 .ii； ；11/7/2021 8:55:19 AMv吉布斯相律（吉布斯相律（Gibbs Phase Rule）相律处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律。相率有多种，其中最基本的Gibbs相

13、率:f = c-p+2f：自由度数；c：组成材料系统的独立组元数；p：平衡相的数目；2：指温度和压力这两个非成分的变量：指温度和压力这两个非成分的变量如果研究的系统为固态物质，可以忽略压力的影响，该值为1如电场、磁场、重力场对平衡态有影响，相率中的“2”应改为3、4或511/7/2021 8:55:19 AMv4.3.2 相图相图v 相图的建立相图的建立11/7/2021 8:55:19 AM 单元系相图单元系相图Unary phase diagrams单相区：单相区：p=1，f=2 两相共存线上：两相共存线上：p=2，f=1 三相点：三相点：p=3，f=0 c=1

14、11/7/2021 8:55:19 AM单组分材料的多晶转变相图单组分材料的多晶转变相图120023702221000ZrOZrOZrO 单斜四方立方11/7/2021 8:55:19 AM 二元相图二元相图Binary phase diagramsvc=2；v凝聚态凝聚态体系(压力的影响可忽略不计压力的影响可忽略不计)：f=c-p+1=3-p；v最大的自由度数目(p=1时)f=3-1=2 温度和成分温度和成分 二维的平面图二维的平面图 11/7/2021 8:55:19 AM二元匀晶相图二元匀晶相图 v匀晶相图（匀晶相图（isomorphous system）形成连形成连续固溶

15、体的相图续固溶体的相图ABTATBLL+wB, %11/7/2021 8:55:19 AM杠杆规则杠杆规则(lever rule)ABC0CLCTATBT1LL+acb00LLCCWbcWabCC11/7/2021 8:55:19 AM杠杆规则推导29000LLLWWWW CW CWC由以上两式可以得出由以上两式可以得出 00LLCCWbcWabCC11/7/2021 8:55:19 AM相图分析相图分析二元匀晶相图二元匀晶相图液相线液相线固相线固相线液相区液相区 L固相区固相区两相共存区两相共存区ABTATBL+wB, %2条线：条线：液相线、固相线液相线、固相线c=2，p=2，f=12个单

16、相区：个单相区：固相区、液相区固相区、液相区c=2，p=1，f=21个两相区：个两相区：c=2，p=2，f=111/7/2021 8:55:19 AM有极值的匀晶相图 具有极大点具有极大点具有极小点具有极小点 31Chapter4 Chemical Thermodynamics of Materials11/7/2021 8:55:20 AM二元共晶相图元共晶相图Eutectic phase diagram两组元（两组元（A和和B）在液态可无限互溶、）在液态可无限互溶、固固态只能部分互溶态只能部分互溶发生共晶反应时形成的相图。发生共晶反应时形成的相图。11/7/2021 8:55:20 AML

17、+L+L+液相线液相线固相线固相线固溶线固溶线相图相图分析分析：B原子溶入原子溶入A基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体：A原子溶入原子溶入B基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体固溶线：也称固溶度曲线，反映不同温度时的溶解度变化。固溶线：也称固溶度曲线，反映不同温度时的溶解度变化。11/7/2021 8:55:20 AMDCELv一个液相同时析出两种固相的反应，称为共晶一个液相同时析出两种固相的反应，称为共晶反应反应v根据相律，三相平衡时有根据相律，三相平衡时有f f= =c c- -p p+1=2-3+1=0+1=2-3+1=0因此三个平衡相的因此三个平衡相的及反应及反应都是确定的，都是确定

18、的，在在冷却曲线中出现一个平台冷却曲线中出现一个平台。共晶反应共晶反应eutectic reaction11/7/2021 8:55:20 AM v共晶点共晶点 eutectic point ：即低共熔点，指在相图中由共晶成分和共晶温度确定的点（E点）。v共晶温度共晶温度 eutectic temperature：即低共熔温度，是指共晶点所对应的温度。v共晶成分共晶成分 eutectic composition：即低共熔组成，是指共晶点所对应的组成。11/7/2021 8:55:20 AME点的共晶反应：从组成为点的共晶反应：从组成为CE的液相中同时结晶出成分为的液相中同时结晶出成分为CC的的

19、 相和成分为相和成分为CD的的 相。两相的质量比相。两相的质量比W /W 可用杠杆规则可用杠杆规则求得：求得：DEECWCCWCC两相的百分含量为：两相的百分含量为：100%DEDCCCwCC100%ECDCCCwCC11/7/2021 8:55:20 AM实例：Pb-Sn相图合金合金1 1共晶反应后两相百分含量：共晶反应后两相百分含量：97.561.935.6100%45.5%97.5 19.278.361.9 19.242.7100%54.5%97.5 19.278.3ww11/7/2021 8:55:20 AM二元包晶相图二元包晶相图Peritectic phase diagram包晶反

20、应（包晶反应（peritectic reaction）在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固相的反应。固相作用，生成另一个成分固相的反应。PDCL11/7/2021 8:55:20 AM相图相图分析分析液相线固相线固溶线11/7/2021 8:55:20 AM包晶反应时的相对含量计算包晶反应时的相对含量计算100%PDLCDCCwCC100%CPCDCCwCC40Chapter4 Chemical Thermodynamics of Materials11/7/2021 8:55:20 AM实例：Pt-Ag相图

21、11/7/2021 8:55:20 AM11/7/2021 8:55:20 AM二元偏晶相图二元偏晶相图 Monotectic phase diagram偏晶反应（偏晶反应（ monotectic reaction）1,2,monLAL 恒温偏晶点偏晶点monotectic point11/7/2021 8:55:20 AM具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图v相图中间存在化合物，故又称。v稳定化合物：有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体的化合物，也称为一致熔融化合一致熔融化合物物；v不稳定化合物：不能熔化成与固态相同成分的液体，当加热到一定温度时会发生分解，转变转变为两个相为两个相。

22、11/7/2021 8:55:20 AM形成不稳定化合物的形成不稳定化合物的K-Na相图相图形成稳定化合物的形成稳定化合物的Mg-Si相图相图11/7/2021 8:55:21 AM二元相图的一些基本规律二元相图的一些基本规律相区接触法则相区接触法则：在二元相图中，相邻相区的相数差为1，点接触除外。例如，两个单相区之间必有一个双相区，三相平衡水平线只能与两相区相邻，而不能与单相区有线接触。在二元相图中，三相平衡一定是一条水平线在二元相图中，三相平衡一定是一条水平线，该线一定与三个单相区有点接触，其中两点在水平线的两端，另一点在水平线中间某处，三点对应于三个平衡相的成分。此外，该线一定与三个两相

23、区相邻。两相区与单相区的分界线与水平线相交处，前者的延长线应进入另一个两相区，而不能进入单相区。11/7/2021 8:55:21 AM复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法v分清组元、单相区、固溶体、中间相，温度和成分区间。v根据相区接触法则，检查所有双相区是否填写完全并正确无误，如有疏漏，则要将其完善。v找出所有的水平线，有水平线就意味着存在三相反应，该水平线同时表明平衡状态下发生该反应的温度。v在各水平线上找出三个特殊点，即水平线的两个端点和靠近水平线中部的第三个点（共晶点、包晶点、共析点等）。确定中部点上方与下方的相，并分析其反应的类型，平衡相若在中部点之上，则该反应必是该相分解

24、为另外两相；若平衡相在中部点的下面，则该相一定是反应生成相。11/7/2021 8:55:21 AM二元相图中的三相反应特征恒温转变类型恒温转变类型反应式反应式相图特征相图特征分解型分解型（共晶型）（共晶型）共晶转变共晶转变L L+ +共析转变共析转变+ +偏晶转变偏晶转变L L1 1L L2 2+ +熔晶转变熔晶转变+ +L L合成型合成型（包晶型）（包晶型）包晶转变包晶转变L L+ +包析转变包析转变+ +合晶转变合晶转变L L1 1+ +L L2 211/7/2021 8:55:21 AM 三元相图简述三元相图简述 Ternary phase diagrams（1）三元相图

25、的构成及其成分表示组元数c=3相率：f=c-p+1=3-p+1=4-p （忽略压力）四相平衡点、三相平衡区域自由度最大为3三维相图p1234f321011/7/2021 8:55:21 AM 三元相图的构成三元相图的构成v水平浓度三角形表示成分；水平浓度三角形表示成分；v垂直轴表示温度；垂直轴表示温度；v浓度三角形与温度轴组成三角棱浓度三角形与温度轴组成三角棱柱；柱；v棱柱的每个侧面表示三个二元系棱柱的每个侧面表示三个二元系统，如统，如AB，BC，AC。11/7/2021 8:55:21 AM浓度三角形浓度三角形v三个顶点分别代表三个纯组元A、B和C；v等边三角形的边长定为100，三角形的三条

26、边构成三个组元两两组成的二元系；vM点各组元浓度的确定：5111/7/2021 8:55:21 AM(2) 三元系相图的一些规则三元系相图的一些规则等含量规则等含量规则v在等边三角形中，平行于一条边的直线上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。DD线上的所有点，均含有CD= a%的组元；EE线上的所有点，均含有AE= b%的组元；FF线上的所有点，均含有BF= c%的组元。11/7/2021 8:55:21 AM 定比例规则定比例规则v从等边三角形的某一顶点向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点组分的含量则随着远离顶点而降低。CD 线上的任意点M，含组元A和B浓度比

27、皆相等。11/7/2021 8:55:21 AM 背向规则背向规则 v在三角形中任一混合物M，若从M中不断析出某一顶点的成分，则剩余物质的成分也不断改变（相对含量不变），改变的途径在这个顶点和这个混合物的连线上，改变的方向背向顶点。11/7/2021 8:55:21 AM 杠杆规则杠杆规则v在三元系统中，一种混合物分解为两种物质（或两种在三元系统中，一种混合物分解为两种物质（或两种物质合成为一种混合物）时，它们的组成点在一条直物质合成为一种混合物）时，它们的组成点在一条直线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。MNWMPWPN11/7/2021 8:55:21 AM 重心规则重心规则v一定温度下，在三元系统中若有三个物系一定温度下，在三元系统中若有三个物系M1、M2、M3合成合成新物系新物系M，则物系，则物系M的组成点在连成的的组成点在连成的 M1M2M3之内，之内，M点的位置称为重心位置。由相率可知点的位置称为重心位置。由相率可知f=1，T一定时，三个一定时，三个平衡相的