thermodynamicsofmaterials材料熱力學(xué)

1、THERMODYNAMICS OF MATERIALS材料熱力學(xué),陳建宏 教授Mon. 15:10-17:00Fri. 13:10-14:00,BOOK,書名:Introduction to the thermodynamics of materials 5/e, 作者:David R. Gaskell, 出版社:Taylor & Francis /偉明 ISBN:1-5916-9043-9書名:材料熱力學(xué) 3/e,

2、作者:蔡希杰 編譯, 出版社:偉明, ISBN:957-30084-5-9,2,評分,期中考 (30%)期末考 (30%)課堂小考及習(xí)題 (25%)出席率 (15%),3,簡介,討論熱行為有三門:熱力學(xué)(Thermodynamics)：為探討環(huán)境對一已知系統(tǒng)支平衡狀態(tài)的影響，即系統(tǒng)在能量(溫度)改變下的行為。動(dòng)力學(xué)(Kinetic Theory)：為探討系統(tǒng)隨時(shí)間改變下的行為。統(tǒng)計(jì)力學(xué)(Statictical Mechani

3、es)：為探討系統(tǒng)變化過程中的趨勢現(xiàn)象。熱力學(xué)是一門相當(dāng)重要的工程學(xué)科可提供預(yù)測任何材料之平衡狀態(tài)。熱力學(xué)是用來探討系統(tǒng)內(nèi)在環(huán)境的作用下的變化及評估體系的進(jìn)行方向。,4,熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)力學(xué)只能用於平衡狀況，無法預(yù)測反應(yīng)的速率。液態(tài)金屬與氣態(tài)平衡共存時(shí)，原子自液態(tài)進(jìn)入氣態(tài)與其相反方向的個(gè)數(shù)相同=>氣相的原子濃度與時(shí)間無關(guān)，亦即蒸氣壓不隨時(shí)間改變---平衡狀態(tài)系統(tǒng)。此時(shí)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)可提供蒸氣壓隨溫度變化的關(guān)係。反應(yīng)

4、速率則藉助動(dòng)力論但若系統(tǒng)置於抽真空容器中，金屬蒸氣一形成便抽走，原子離開液體的速率大於返回液體的速率，平衡狀態(tài)不存在，熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)力學(xué)應(yīng)用上不需靠動(dòng)力學(xué)討論金屬原子以多快的速度蒸發(fā)。,5,Ch1~Ch7名詞的介紹與定義熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熵焓熱容量熱力學(xué)第三定律單成分系統(tǒng)中相平衡,6,CHAPTER 1,Introduction and definition of terms緒論與名詞的定義,系統(tǒng)(SYS

5、TEM),系統(tǒng)為用來定義討論一具有定量之物質(zhì)或是空間中之區(qū)域封閉系統(tǒng)：沒有質(zhì)量交換的體系(可以能量交換)孤立系統(tǒng)：沒有質(zhì)量與能量交換的體系開放系統(tǒng)：質(zhì)量與能量皆可交換的體系均質(zhì)系統(tǒng)：單相或均勻混合的體系(如空氣及糖水)非均質(zhì)系統(tǒng)：多相且不相容的體系(如油水體系及多相金 屬混合物),8,Boundary,Surroundings,System,性質(zhì)(PROPERTIES),也稱狀態(tài)變數(shù)壓力、溫度、體積、質(zhì)量等外延性質(zhì)--

6、-與系統(tǒng)尺寸大小有關(guān)質(zhì)量、體積、動(dòng)量內(nèi)涵性質(zhì)---與系統(tǒng)尺寸大小無關(guān)溫度、壓力、密度,9,mVTPρ,,1/2m1/2VTPρ,1/2m1/2VTPρ,,,外延性質(zhì),內(nèi)涵性質(zhì),變數(shù)(VARIABLES),可以改變的性質(zhì)獨(dú)立變數(shù)---不受其他變數(shù)影響而改變相關(guān)變數(shù)---隨著其他變數(shù)改變而改變P,T,V任兩變數(shù)獨(dú)立成份固定的系統(tǒng)裡，系統(tǒng)裡兩個(gè)性質(zhì)固定後，其他兩個(gè)性質(zhì)也跟著固定因此只有兩個(gè)性質(zhì)是獨(dú)

7、立變數(shù)，則其他的性質(zhì)都是相關(guān)變數(shù),10,狀態(tài) (STATE),在一系統(tǒng)沒有任何改變下，知道其組成之質(zhì)量、速度、位置及所有運(yùn)動(dòng)模式，即可知道此系統(tǒng)之所有性質(zhì)。微觀狀態(tài):組成粒子的質(zhì)量、速度、位置以及運(yùn)動(dòng)的模式等巨觀狀態(tài): 如系統(tǒng)的體積、壓力及溫度等狀態(tài)函數(shù)：系統(tǒng)狀態(tài)的改變只與最初和最末的狀態(tài)有關(guān)，與路徑無關(guān)。,11,平衡(EQUILIBRIUM),平衡表示狀態(tài)上的平衡，系統(tǒng)內(nèi)平衡後沒有能量差異。平衡得基本定義：1.正向與逆向反

8、應(yīng)速率相等2.沒有額外的改變3.經(jīng)過輕微的擾動(dòng)可變成原始狀態(tài)熱平衡---系統(tǒng)內(nèi)任一點(diǎn)溫度都一樣機(jī)械平衡---系統(tǒng)內(nèi)任一點(diǎn)壓力都一樣相平衡---兩相間達(dá)到平衡化學(xué)平衡---化學(xué)成分達(dá)到平衡,12,程序(PROCESS),系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的過程。等溫(Isothermal process)---T為常數(shù)等壓(Isobaric process)---P為常數(shù)等容(Isochoric process)---V為常數(shù)

9、絕熱(adiabatic process)---q為常數(shù)準(zhǔn)平衡過程(Quasi-equilibrium process)指熱力平衡偏差非常小的過程，並且系統(tǒng)經(jīng)過準(zhǔn)平衡過程中所有的狀態(tài)皆可視為平衡狀態(tài)Steady-flow process,13,壓力、溫度、體積,P：　KPa＝103PaMPa＝106Pa1 Pa = 1 N/m21torr＝1mmHg＝133Pa1atm＝760mmHg＝1.01325x105Pa　

10、1bar＝105Pa＝750torrT：K(0 ℃ =273K)V：l or cm3,14,理想氣體方程式 (THE EQUATION OF STATE OF IDEAL GAS),1660 Robert BoyleT固定時(shí)---P ? 1/V1787 Charles P固定時(shí)---V ? T1802 Joseph Gay-Lussac熱膨脹係數(shù)α---以及一定壓力之下氣體在0 ℃時(shí)氣體體積隨溫度變化的增加率其

11、氣體膨脹係數(shù)α =1/273.16若溫度每降低1 ℃則體積減少0 ℃之1/273.16因此，氣體體積為0時(shí)，溫度為-273.16 ℃,15,任何溫度及壓力下皆能完全服從Boyle與Charles定律的假想氣體----理想氣體其氣體膨脹係數(shù)α =1/273.16若溫度每降低1 ℃則體積減少0 ℃之1/273.16因此，氣體體積為0時(shí)，溫度為-273.16 ℃-273.16 ℃=0 K=絕對零度理想氣體方程式---(狀態(tài)函數(shù)

12、)Boyle’s 定律---P0V(T,P0)=PV(T,P)Charles’s定律---P0=標(biāo)準(zhǔn)壓力(1 atm) ； T0=標(biāo)準(zhǔn)溫度(0 K)V(T,P)---溫度為T壓力為P時(shí)的體積V亞佛加厥假設(shè)一莫耳氣體(0 ℃,1 atm, V=22.4L),16,R=0.082057 L.atm/mol.K,PV=RT or PV=nRT,PV＝nRTR＝0.08206 L.atm/mol.K＝8.3144 J/mol.

13、K＝1.987 cal/mol.K,理想氣體與狀態(tài)V=V(P,T)---P,T獨(dú)立變數(shù),V相關(guān)變數(shù)系統(tǒng)裡的V,P,T對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)假設(shè)系統(tǒng)由1→2------?V=V2-V1路徑可由1→a →2或是1→b →2? V=(Vb-V1)+(V2-Vb) or ? V=(Va-V1)+(V2-Va),17,,,T1等溫下發(fā)生,P2等壓下發(fā)生,1→b →2,1→ a →2,由1到2的體積改變量只與狀態(tài)1及狀態(tài)2

14、的體積有關(guān)，與由狀態(tài)1到狀態(tài)2的路徑無關(guān),P1等壓下發(fā)生,T2等溫下發(fā)生,,,功與能 (THE UNITS OF ENERGY AND WORK),單位功---力移動(dòng)一距離(力x距離) w = F*dx =F*A*dl = F*dV能---多種型式存在(升x大氣壓，牛頓x米，焦耳)兩者單位具相同因次力x距離=壓力x面積x距離=壓力x體積1大氣壓=101325牛頓/米2 (N/m2)1升x大氣壓=101325牛頓x米(Nm)

15、=101.325焦耳(J)R的單位=0.08206升x大氣壓/度x莫耳 (L atm/k mol) =8.3144焦耳/度x莫耳 (J/k mlo),18,相圖 (PHASE DIAGRME),相(Phases)系統(tǒng)內(nèi)巨觀上的均勻物質(zhì)體。同一相具有相同的結(jié)構(gòu)或原子排列同一相具有大致相同的成分與性質(zhì)同一相與任何附近的相具有明顯的界面兩相或更多相共存時(shí)為非均質(zhì)體。相圖(Phase diag

16、ram)顯示任何溫度與成分組合下，一系統(tǒng)所含的相與各相的成分相圖可當(dāng)作是地圖，可知道在平衡狀態(tài)以之溫度下，合金中有哪些相存在,19,相律(Phase Rule)說明在一個(gè)已知系統(tǒng)中，成分與相的數(shù)目、狀態(tài)(溫度、壓力)之間的關(guān)係2+C=F+PC為化學(xué)上獨(dú)立的成分?jǐn)?shù)目---通常是系統(tǒng)中的元素或化合物總數(shù)H2O視為單一成分---水中的H與O無法獨(dú)立F為可以獨(dú)立改變的自由度或變數(shù)的個(gè)數(shù)---包括溫度、壓力、成分等P為存在的相

17、的數(shù)目不同結(jié)構(gòu)是為不同的相(Fe具有FCC與BCC ；碳有石墨與鑽石),20,二元相圖在一大氣壓下，顯示任何溫度與合金成分組合下，一合金系統(tǒng)所含的相與各相的成分只有兩種元素或化合物時(shí)，建立的相圖稱為二元相圖(Binary phase diagram)---通常為一大氣壓下液相線溫度---溫度高於此溫度時(shí)材料完全都是液態(tài)，液相線以下的溫度液態(tài)合金開始凝固固相線溫度---溫度低於此溫度時(shí)材料完全都是固態(tài)介於固相線與液相線之間的

18、溫度範(fàn)圍會(huì)發(fā)生熔化與凝固此溫度範(fàn)圍稱為合金的凝固範(fàn)圍區(qū)域內(nèi)兩相共存(固相與液相),21,相的百分率=(另一側(cè)的桿臂長/結(jié)線總長)x100,L%=(s-f)/(s-l)S%=(f-s)/(s-l),液相中X% Cr2O3固相中Y% Cr2O3,1+C=F+P,Al2O3與Cr2O3相同晶體結(jié)構(gòu)離子大小接近任何比例互溶,二元相圖液相線溫度---溫度高於此溫度時(shí)材料完全都是液態(tài)，液相線以下的溫度液態(tài)合金開始凝固固相線溫度--

19、-溫度低於此溫度時(shí)材料完全都是固態(tài)介於固相線與液相線之間的溫度範(fàn)圍會(huì)發(fā)生熔化與凝固此溫度範(fàn)圍稱為合金的凝固範(fàn)圍區(qū)域內(nèi)兩相共存(固相與液相),22,相的百分率=(另一側(cè)的桿臂長/結(jié)線總長)x100,L%=(s-f)/(s-l)S%=(f-s)/(s-l),液相中X% Cr2O3固相中Y% Cr2O3,Fe-O相圖Fe3O4磁鐵礦(magnetite), Fe2O3氧化鐵(hematite), 氧化亞鐵(wustite),23,

20、Fe-O相圖Fe3O4磁鐵礦(magnetite), Fe2O3氧化鐵(hematite), 氧化亞鐵(wustite)X成分於下列系統(tǒng)都視為相同F(xiàn)e-O (24%O, 76%Fe)FeO-Fe2O3 (77.81%FeO, 22.19%Fe2O3)FeO-Fe3O4 (67.83%FeO, 32.17%Fe3O4)Fe-Fe3O4 (13.18%Fe, 86.82%Fe3O4)Fe-Fe2O3 (20.16%Fe, 7