材料热力学应用于研究的作用

材料热力学应用于研究的作用

摘要：材料热力学是材料科学的重要基础之一。材料学的核心问题是求得材料成分－组织结构－各种性能之间的关系。问题的前半部分，即材料成分－组织结构的关系要服从一个基本的科学规则，这个基本规则就是材料热力学。对于焓和熵的理解、计算在材料热力学数据处理中显得格外重要。建模的运用有利于问题的解决。本论文热力学建模方法的建模应用及理论验证,进行了理论扩展的相关讨论。热力学模型在迅速变化的技术和市场环境中,化工过程模拟具有重要意义。

1读了“试验研究热力学建模ZrO2–MgO–Al2O3系统” [1]其中主要介绍：固态ZrO2-MgO-Al2O3系统的平衡，整个液成分体进行调查范围使用高温DTAx 射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜结合能量色散x射线能谱(SEM/EDX)。等温条件在1523K、1873K和2023 K是构建和形成的三元X-phase MgO-rich。液体热力学描述被用来获得焓和熵值。以下介绍我所读论文中主要意思：

1.1介绍

介绍ZrO2-based陶瓷科学与工业的重要性。部分氧化镁稳定氧化锆(Mg-PSZ)提出了作为陶瓷复合组件的钢筋(SCC)。我们目前的研究是一个正在进行的项目的一部分,旨在开发一个热力学数据库模拟反应发生在处理上述复合材料。Mg-PSZ粉末将被用于鳞状细胞癌通常包含不同的添加剂,如氧化铝,二氧化硅,HfO2,Cao,二氧化钛,等。最近我们已经表明,即使是一小部分的氧化铝添加剂导致晶间MgAl2O4的形成阶段.氧化铝添加剂的影响发生环在商业Mg-PSZ材料ZrO2-MgO-Al2O3系统的相图是必要的,以及热力学参数阶段稳定的系统。

1.2实验

耦合等离子体光谱法(ICP-OES)获得的前驱溶液低速度下降(约1毫升/分钟)，大约500毫升溶液的pH值保持在9.0以上再去离子水添加铵水合物(反向降水)。获得的悬架被加热保持温度在333K1 - 2 h。沉淀过滤,然后在353 K热解，1073K3h进行空气、氢氧化物改变氧化物释放水。过滤和部分热解之前样品溶解在稀释的硫酸随后分析ICP-OES±2%的精度。根据ICP-OES分析, 发现Zr，Mg 的含量不到10?5摩尔/升。

1.3建模

晶体结构的立方, 正方和单斜是众所周知。因此他们的坚实的解决方案可以通过‘双亚点阵模型’使用进行描述。第一，亚点阵被Zr+ 4,Mg+ 2和Al+ 3阳离子而氧阴离子以及空缺职位在第二子格。相应的模型(Zr+ 4,Mg + 2和Al+ 3)是用于ZrO2-based固体解决方案。第二，介绍了中性的空缺子格为了弥补越积极的阳离子在第一子格。四子格非化学计量二进制尖晶石MgAl2O4的描述阶段,第三,固体的描述解决方案基于氧化铝(刚玉)。三元相X被视为化学计量化合物(4.68毫克)(Al)2.64(Zr)1.68建模吉布斯能量使用温度依赖性。

1.4结果与讨论

作品的样本选择方法来确定或证实所有可能存在的相平衡系统在选定的温度。应该提到,化学成分的样品用EDX被发现是在良好的协议与名义成分。因此我们使用这种方法测定样品化学成分共存的阶段。样品退火的最低温度(1523 K)表现出非常精细结构应用于这项工作。因此EDX分析仅仅是用于确定样本的总体组成和相组合决定只使用XRD分析。正方氧化锆阶段现有在升高的温度下改变其通过在冷却过程中,马氏体转换为单斜晶体结构。

2 通过阅读论文以下是热力学在论文中的主要运用：

2.1热力学在建模中起的作用。过程模拟者必须自己选择热力学模型在迅速变化的技术和市场环境中,化工过程模拟具有重要意义.没有采用流程模拟技术的设计投标书在当今已经不能中标.在使用模拟软件进行流程模拟时,用户定义了一个流程以后,模拟软件一般会自行处理流程结构分析和模拟算法方面的问题,而热力学模型的选择则需要用户作决定.流程模拟中几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质的计算,其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、密度、粘度、导热系数、扩散系数、表现张力等.迄今为止,还没有任何一个热力学模型能适用于所有的物系和所有的过程.流程模拟中要用到多个热力学模型.热力学模型的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否.。

2.2 使用默认的热力学模型不能保证模拟结果正确如果用户不给模拟软件提供有关热力学模型选择方面的指示,软件将自动使用默认的热力学模型.任何热力学模型都有其内含的假设和应用范围的限制,软件中预置的默认热力学模型并不一定就适合于用户当前所处理的系统,这样计算出来的结果是不可靠的.。

2.3 热力学模型选择不当时模拟过程通常不会给出出错信息即使用户给模拟软件提供了有关热力学模型选择方面的指示,如果这种选择不正确,计算结果也会不正确,有时甚至与被模拟的实际过程相去甚远.在这一方面,我们不能指望模拟软件提供出错信息,而应依靠自己的判断[2]。

2.4 热力学模型使用不当也会产生错误结果热力学性质计算的准确程度由模型方程式本身和它的用法所决定.即使选择了恰当的热力学模型,如果使用不当,也仍然会产生错误的结果.热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选取、模

型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规则的选择等问题,需要正确处理。

2.5热力学模型评述

热力学模型在材料科学的理论研究中具有重要的作用,在实践中具有指导和预测作用,大大避免了实践中的盲目性.文章介绍了材料科学研究中常用的热力学模型:理想溶液近似、正规溶液近似、双亚点阵模型、团簇变分法等,分析了各种热力学模型的特点及应用,强调了相图计算在材料科学研究中的重要性。

3 焓变

3.1焓，热函：一个系统中的热力作用，等于该系统内能加上其体积与外界作用于该系统的压力的乘积的总和。焓是物体的一个热力学能状态函数，焓变即物体焓的变化量。

3.2焓和焓变

3.2.1焓是一个状态函数,也就是说,系统的状态一定,焓的值就定了。焓的定义式是这样的：H=U+pV。其中U表示热力学能，也称为内能(Internal Energy)，即系统内部的所有能量。p是系统的压力(Pressure)，V是系统的体积(V olume)作为一个描述系统状态的状态函数，焓没有明确的物理意义

3.2.2ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量ΔH=ΔU+Δ（pV）在恒压条件下，ΔH(焓变)可以表示过程的热力学能变。

3.3在介绍焓之前需要了解一下分子热运动、热力学能和热力学第一定律：1827年，英国植物学家布朗把非常细小的花粉放在水面上并用显微镜观察，发现花粉在水面上不停地运动，且运动轨迹极不规则。起初人们以为是外界影响，如振动或液体对流等，后经实验证明这种运动的的原因不在外界，而在液体内部。

原来花粉在水面运动是受到各个方向水分子的撞击引起的。于是这种运动叫做布朗运动，布朗运动表明液体分子在不停地做无规则运动。从实验中可以观察到，布朗运动随着温度的升高而愈加剧烈。这表示分子的无规则运动跟温度有关系，温度越高，分子的无规则运动就越激烈。正因为分子的无规则运动与温度有关系，所以通常把分子的这种运动叫做分子的热运动。

4 熵

4.1物理名词,用热量除温度所得的商,标志热量转化为功的程度物理意义：物质微观热运动时，混乱程度的标志。

4.2热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T)，式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的，则dS＞(dQ/T)不可逆。单位质量物质的熵称为比熵，记为s。熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量[3]。热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化；②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功（即无法制造第二类永动机）；③在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dS＝dS2－dS1＞0，即熵是增加的。

4.2.1物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。

4.2.2科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度，某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。

4.2.3在信息论中，熵表示的是不确定性的量度。

4.3只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候，能量才能够转化为功，这时，能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方，直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动，你才能从能量得到功。

4.4江河发源地的水位比较高，那里的水的势能也比河口的水的势能来得大。由于这个原因，水就沿着江河向下流入海洋。要不是下雨的话，大陆上所有的水就会全部流入海洋，而海平面将稍稍升高。总势能这时保持不变。但分布得比较均匀。

4.5正是在水往下流的时候，可以使水轮转动起来，因而水就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的，即使这些水是处在很高的高原上，因而具有异常高的势能，同样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动。

4.6熵是混乱和无序的度量。熵值越大，混乱无序的程度越大。我们这个宇宙是熵增的宇宙。热力学第二定律体现的就是这个特征。生命是高度的有序，智慧是高度的有序，在一个熵增的宇宙为什么会出现生命？会进化出智慧？（负熵）。热力学第二定律还揭示了：局部的有序是可能的，但必须以其他地方的更大无序为代价。人生存，就要能量，要食物，要以动植物的死亡(熵增)为代价。万物生长靠太阳。动植物的有序又是以太阳核反应的衰竭（熵增）或其他形式的熵增为代价的。人关在完全封闭的铅盒子里，无法以其他地方的熵增维持自己的负熵。在这个相对封闭的系统中，熵增的法则破坏了生命的有序。熵是时间的箭

头，在这个宇宙中是不可逆的。熵与时间密切相关。如果时间停止“流动”，熵增也就无从谈起。“任何我们已知的物质能关住”的东西，不是别的，就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。“结构”与具体的物质不是同一个层次的概念。就像大厦的建筑材料和大厦的式样不是同一个层次的概念一样。生物学已经证明，凡是上了岁数的人，身体中的原子,已经没有一个是刚出生时候的了。但是，你还是你，我还是我，生命还在延续。倒是死了的人，没有了新陈代谢，身体中的分子可以保留很长时间。意识是比生命更高层次的有序，可以在生命之间传递。说到这里，我想物质与意识的层次关系应该比较清楚了。

5总结与以上热力学的重要性与如何学好材料热力学

5.1对于材料热力学的学习显得格外重要，因为它涉及的知识点理论相对于我们本科生较深，所以对于材料热力学的学习不能仅仅上课学习，听课就完事了，而更应该在课后多花时间，要做到每个星期上的课程都要在本星期复习绝对不能拖到下星期和以后去，假如这样很可能就更不上。还有一个就是预习，这和复习是同样有利于这门课的学习的。对于书中的公式不仅仅要会推到而且还要懂得如何运用，这就需要多做习题和多看看例题，在题中找规律找方法。

5.2材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材料研究方面的应用，其目的在与揭示材料中的相和组织的形成规律。固态材料中的熔化与凝固以及各类固态相变、相平衡关系和相平衡成分的确定、结构上的物理和化学有序性以及各类晶体缺陷的形成条件等是其主要研究对象。

5.3现代材料科学发展的主要特征之一是对材料的微观层次认识不断进步。利用场离子显微镜和高分辨电子显微镜把这一认识推进到了纳米和小于纳米的

层次，已经可以直接观察到从位错形态直至原子实际排列的微观形态。这些成就可能给人们造成一种误解，以为只有在微观尺度上对材料的直接分析才是深刻把握材料组织结构形成规律的最主要内容和最主要途径；以为对那些熵、焓、自有能、活度等抽象概念不再需要更多的加以注意。其实不然，不仅热力学的主要长处在于它的抽象性和演绎性，而且现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统计热力学的支撑和帮助。材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一。工业技术的进步在拉动材料热力学的发展，而材料热力学的发展又在为下一个技术进步准备基础和条件。

5.4材料热力学是热力学理论在材料研究、材料生产活动中的应用。因此这是一门与实践关系十分密切的科学。学习这门课程，不能满足于理解书中的内容，而应当多进行一些对实际材料问题的分析与计算，开始可以是一些简单的、甚至是别人已经解决的问题，然后由易渐难，循序渐进。通过不断的实际分析与计算，增进对热力学理论的理解，加深对热力学的兴趣，进而有自己的心得和成绩。

参考文献：

1.K.; Gr?tzel, M. D. Pavlyuchkov?, G. Savinykh, O. Fabrichnaya

2.Staffan Hertzman.metall.trans.’,1987,18A:1767

3.Hirth J P.Metall.Trans.1970,1:2367