物质的相变 .ppt
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1、物质的相变 1现在学习的是第1页,共36页绪论绪论 一、相(一、相(phase)什么是相?什么是相?物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。特点:相与相之间有分界面,可用机械的方法将它们分开。系特点:相与相之间有分界面,可用机械的方法将它们分开。系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一热力学条件下,只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系热力学条件下,只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时,自由能会发生变化,相的结构也相应统的热力学条件改变时,自由能会发生变化,相的
2、结构也相应发生变化。发生变化。二、相变(二、相变(phase transformation)1.相变相变随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变。随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变。2.相变过程相变过程相变过程:物质从一个相转变到另一个相的过程。相变过程:物质从一个相转变到另一个相的过程。2现在学习的是第2页,共36页主要内容主要内容一一.相变过程的分类相变过程的分类二二.液相固相的转变液相固相的转变三三.相变的影响因素相变的影响因素3现在学习的是第3页,共36页一一.相变的分类相变的分类 分类方法有很多,主要介绍以下两种:分类方法有很多,主要介绍以下两种:一、按物质相变前后的凝聚状
3、态划分一、按物质相变前后的凝聚状态划分1.固相(固相()固相(固相(),即某物质在特定温度压),即某物质在特定温度压力下的晶型转变过程。力下的晶型转变过程。2.固相固相 液相,即物质在特定的温度压力下的结晶、熔融液相,即物质在特定的温度压力下的结晶、熔融过程。过程。3.固相固相 气相,即物质的升华和凝聚过程。气相,即物质的升华和凝聚过程。4.液相液相 气相,即物质的蒸发和凝聚过程。气相,即物质的蒸发和凝聚过程。4现在学习的是第4页,共36页 二、从热力学角度划分二、从热力学角度划分根据自由能变化特性:根据自由能变化特性:1.一级相变:在相变的临界温度(一相开始变为另一相的温度一级相变:在相变的
4、临界温度(一相开始变为另一相的温度)自由能的一阶导数不连续的相变。)自由能的一阶导数不连续的相变。SL2.二级相变:在临界温度、临界压力时,自由能的一阶导二级相变:在临界温度、临界压力时,自由能的一阶导数是连续的,但二阶导数不连续的相变。数是连续的,但二阶导数不连续的相变。熔融态熔融态玻璃玻璃态态5现在学习的是第5页,共36页 1.相变过程的不平衡状态及相相变过程的不平衡状态及相亚稳区。亚稳区。图为某一物质的单元系统相图。图为某一物质的单元系统相图。m点冷却到点冷却到T2温度时,从宏观上看温度时,从宏观上看并无固相出现,而在并无固相出现,而在T1温度时才出温度时才出现固相,即存在一个现固相,即
5、存在一个相亚稳区相亚稳区。即:即:理论上应发生相变而实际上不理论上应发生相变而实际上不能相变的区域。能相变的区域。二二.液相固相的转变液相固相的转变6现在学习的是第6页,共36页 相亚稳区特点相亚稳区特点(1)(1)亚稳区具有不平衡状态的特征,是物相在理论上不能稳亚稳区具有不平衡状态的特征,是物相在理论上不能稳定存在,而实际上却能稳定存在的区域;定存在,而实际上却能稳定存在的区域;(2)(2)在亚稳区内,物系不能自发产生新相,要产生新相,在亚稳区内,物系不能自发产生新相,要产生新相,必然要越过亚稳区,这就是过冷却的原因;必然要越过亚稳区,这就是过冷却的原因;(3)(3)在亚稳区内虽然不能自发产
6、生新相,但是当有外来杂质存在亚稳区内虽然不能自发产生新相,但是当有外来杂质存在时,或在外界能量影响下,也有可能在亚稳区内形成新相,在时,或在外界能量影响下,也有可能在亚稳区内形成新相,此时使亚稳区缩小。此时使亚稳区缩小。7现在学习的是第7页,共36页2、相变过程推动力、相变过程推动力 相变过程的推动力是相变过程前后自由能的差值。相变过程的推动力是相变过程前后自由能的差值。GT.P00 过程自发进行过程自发进行=0 过程自发达到平衡过程自发达到平衡 8现在学习的是第8页,共36页(1)相变过程的温度条件)相变过程的温度条件 由热力学可知在等温等压下有由热力学可知在等温等压下有 G=H-TS G=
7、H-TS (1 1)在平衡条件下在平衡条件下G=0G=0则有则有H-TH-T0 0S=0 S=0 (2 2)S=H/TS=H/T0 0 (3 3)若在任意一温度若在任意一温度T T的不平衡条件下,则有的不平衡条件下,则有 G=HG=HTS0 TS0 (4 4)若若HH与与 SS不随温度而变化,将不随温度而变化,将(3)(3)式代入(式代入(4 4)式得:)式得:0000/TTHTTTHTHTHG9现在学习的是第9页,共36页 从上式可见,相变过程要自发进行,必须有从上式可见,相变过程要自发进行,必须有G 0,则,则HTT00。讨论:讨论:A A、若相变过程、若相变过程放热放热(如凝聚过程、结晶
8、过程等如凝聚过程、结晶过程等)H0H0,要使要使G0G0T0,T=TT=T0 0-T0-T0,即,即T T0 0TT,这,这表明在该过程中系统必须表明在该过程中系统必须“过冷却过冷却”,或者说系统或者说系统实际实际相变温度比理论相变温度相变温度比理论相变温度还要还要低低,才能使相变过程自发进,才能使相变过程自发进行。行。10现在学习的是第10页,共36页 B、若相变过程、若相变过程吸热吸热(如蒸发、熔融等如蒸发、熔融等)H0,要满足,要满足G0这一条件则必须这一条件则必须T0,即,即T0 T,这表明系统要,这表明系统要发生相变过程必须发生相变过程必须“过热过热”。结论:结论:相变驱动力可以表示
9、为过冷度相变驱动力可以表示为过冷度(过热度过热度)的函数的函数,因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变,因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。过程的推动力。11现在学习的是第11页,共36页3.成核规律成核规律 液态熔体结晶时,首先是在液体中出现一些极微小的晶液态熔体结晶时,首先是在液体中出现一些极微小的晶体,然后以它们为核心逐渐长大。这些微小的晶体称为体,然后以它们为核心逐渐长大。这些微小的晶体称为晶核晶核。结晶的过程就是晶核不断形成、长大的过程。晶核形结晶的过程就是晶核不断形成、长大的过程。晶核形成的方式一般可以分为两类:成的方式一般可以分为两类:(1)自发成
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