C3单组元的热力学教程.ppt

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1、第三章：单组元材料的热力学单组元(Singlecomponent)材料：Fe：软磁材料Al,Ti：结构材料Cu：导电材料SiO2：低膨胀材料Si：CPU的芯片材料MgO和Al2O3：耐火材料和耐热材料单组元材料没有成分的影响，问题相对简单第三章：单组元材料的热力学1、纯金属相变的体积效应2、空位的热力学分析3、晶体的热容理论4、单组元两相平衡5、磁性转变的热力学分析除非有可以理解的特殊理由3.1纯金属固态相变的体积效应分析：所有纯金属的加热固态相变都是由密排结构(CloseStructure)向疏排结构(OpenStructure)的转变

2、。也就是说，一般情况下加热相变要引起体积的膨胀。加热相变要引起体积的膨胀自发过程高温下体积大的相的G小于体积小的相，即高温时体积大物质稳定；低温下体积小的相的G小于体积大的相，即低温时体积小物质稳定我们要证明它！！！低温时，G主要决定于焓G=HTS3.1纯金属固态相变的体积效应高温时，G主要决定于熵焓值小，G则小，则系统稳定高温时，熵值大，G则小，则系统稳定焓又取决于什么？熵又取决于什么？由热力学基本方程：dH=TdS+VdP3.1纯金属固态相变的体积效应对于凝聚态来说，很小，0在温度一定时，焓随体积增大。在温度一定时，熵随体积增大。

3、低温时，焓值小，则系统稳定在温度一定时，焓随体积增大。低温时，体积小，焓值小，系统越稳定高温时，熵值大，则系统稳定在温度一定时，熵随体积增大。高温时，体积大，熵值大，系统越稳定加热相变必然导致体积的膨胀GT低温体积小体积大高温固液气三态相变及固液气三态为何稳定存在例外---金属Fe的/相变。相变结果是体积收缩。3.2空位热力学分析晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域晶体缺陷分类：所有原子并非都严格地按周期性规律排列晶体缺陷：根据缺陷区是否在某维方向达到宏观尺寸来确定实际晶体：晶体缺陷分类☛点缺陷：任何方向上缺陷区的尺寸都为原子尺寸零维

4、缺陷：空位、间隙原子、置换原子☛线缺陷：在某一方向上缺陷区的尺寸为宏观尺寸一维缺陷：各种位错。☛面缺陷：在两个方向上缺陷区的尺寸为宏观尺寸二维缺陷：表面、界面、晶界或层错面☛体缺陷：任意方向上缺陷区的尺寸为宏观尺寸三维缺陷：亚结构、空洞、气泡…※缺陷影响晶体力学性质、物理性质、化学性质以及冶金性质等各种缺陷对于材料性能的贡献使得材料缺陷的研究变得越来越重要。前五十年主要是位错，目前主要是界面晶体缺陷分类空位(Vacancy)：晶体中某些格点处的原子空缺由于某种原因，原子脱离了正常格点，在原来的位置上形成空位。3.2空位的热力学分析理想晶

5、体中不存在空位，但实际金属晶体中存在空位。随着温度升高，晶体中的空位浓度增加，大多数常用金属（Cu、Al、Pb、W、Ag…）在接近熔点时，其空位平衡浓度约为10-4，即晶格内每10000个结点中有一个空位。把高温时金属中存在的平衡空位通过淬火固定下来，形成过饱和空位，这种过饱和空位状态对金属中的许多物理过程（例如扩散、时效、回复、位错攀移等）产生重要影响。3.2空位的热力学分析分析：空位为什么是一种热力学稳定态？形成n个空位引起的系统Gibbs自由能的变化-根据定义求G=G(n个空位)G(无空位)=HVT(nSV+SC)其中

6、：HV：空位引起的焓变3.2空位的热力学分析SC：整个晶体的位形熵SV：每个空位的振动熵空位的出现，会引起其周围的原子偏离平衡位置，导致内能(结合能)的升高。1、若引入1个空位造成的内能增量为u，则n个空位造成的内能增量为nu，即UV=nu对于凝聚态，一般认为UVHV，则：HV=nu再考虑空位对熵的影响：3.2空位的热力学分析2、SV:与原子振动频率变化有关空位周围原子的最终频率原子的起始频率是个常数项3、空位引起的位形熵SC=S(n个空位)S(0个空位)=klnCkln0C：引入空位后的微观状态数0：无空

7、位时的微观状态数举例：CBAD有四个带有标号的空杯1、若把4个红球（同样颜色的球不可区分）放进去，可能出现的微观分布状态数（排列数）W，只有如下一种，即=1CBAD微观状态数的描述CBADI:DBACII:DBACIII:DBACIV:2、若把3个红球和1个黑球放进去，可能出现的=4数学表达式：微观状态数的描述微观状态数的描述BAIII:DCBADCI:BACII:DBADIV:CV:BADCVI:ADCB3、若把2个红球和2个黑球放进去，可能出现的=6数学表达式：微观状态数的描述4、若把1个红球和3个黑球放进去，可能出现的W与第2

8、种情况相同，=4推广：今有NA个A原子和NB个B原子放在NA+NB个不同的格点上N=NA+NB原子总数A原子个数B原子个数则微观状态数：若纯金属的原子总数为N，则引入n个空位后，金属晶体的晶