材料热力学-相变热力学
热力学理论在材料科学中的应用
热力学理论在材料科学中的应用热力学是研究物质热运动状态与热现象的学科，广泛应用于物理学、化学、工程学等领域。
在材料科学中，热力学理论也发挥着重要作用。
本文将从材料物性、热力学基础、热力学中的热力学函数、相变等方面探讨热力学理论在材料科学中的应用。
一、材料物性材料的物理性质是十分重要的，通常包括密度、熔点、导热系数、热容等等。
这些性质通常可以通过热力学理论来计算和预测，这种方法被称为热力学计算方法。
热力学计算方法需使用基本的热力学函数，如热力学势、自由能和焓等等，这些函数包含了材料的物理性质。
二、热力学基础热力学基础是理解热力学计算方法的重要前提。
物质的热运动状态，如温度、压力和密度等，与其热力学参数有着密切的关系。
例如，材料的温度与热容、热膨胀系数等相关，材料的压力与压缩系数相关。
这些参数可以通过热力学基本方程来计算，进而预测材料的物理性质。
三、热力学中的热力学函数在热力学中，热力学函数是描述材料热学性质的基本量。
热力学函数有很多种，如熵、内能、焓、自由能等等。
这些函数通常描述了热力学系统的能量和热学性质，可以用来计算和预测材料的物理性质。
例如，内能是系统的能量总和，可以帮助计算材料的热容；自由能可以帮助计算材料的相变过程。
四、相变热力学理论在材料相变的研究中也有广泛的应用。
相变是指材料在温度、压力等条件变化下从一种热力学相平衡态到另一种热力学相平衡态的过程。
相变涉及到热能、热动力学、统计物理等方面的知识，热力学理论提供了很好的研究方法。
热力学理论中的相图可以帮助预测材料的相变点和相变类型，同时也可以预测材料的构造和性能变化。
热力学理论还可以帮助研究材料的晶体结构和非晶态结构，这对于设计合金、氧化物陶瓷、玻璃等新材料具有重要意义。
总之，热力学理论在材料科学中有着广泛的应用。
通过对材料的物性、热力学基础、热力学函数、相变等方面的研究，可以更好地预测和设计材料的性质和应用。
在未来的研究中，热力学理论将继续发挥着重要作用。
热力学相变和物态转变的条件
热力学相变和物态转变的条件热力学是研究能量转化和传递的学科，而相变和物态转变则是热力学中一个重要的研究方向。
相变是指物质在一定条件下由一种物态转变为另一种物态的过程，而物态转变则是物质由一种物态转变为另一种物态的过程。
这两个过程都受到一定的条件限制，下面将详细探讨热力学相变和物态转变的条件。
1.温度条件温度是物质内部能量状态的度量，是影响物质相变和物态转变的重要因素之一。
在相变过程中，物质的温度必须达到相变温度才能发生相变。
相变温度是物质从一种物态转变为另一种物态的临界温度，不同物质的相变温度各不相同。
例如，水的冰点温度为0℃，只有当温度低于0℃时，水才能从液态转变为固态。
2.压力条件压力是物质分子之间相互作用的结果，也是影响物质相变和物态转变的重要因素之一。
在一定温度下，物质的相变和物态转变往往与压力有关。
例如，水在常压下的沸点温度为100℃，而当压力增加时，水的沸点温度也会相应升高。
这是因为增加压力会改变水分子的平衡状态，使其更难蒸发，从而提高沸点温度。
3.物质性质条件物质的性质也是影响相变和物态转变的重要因素之一。
不同物质的分子结构和相互作用力不同，因此它们的相变和物态转变条件也不同。
例如，水和酒精都是液态物质，但它们的沸点温度却有很大差异。
这是因为水和酒精的分子结构和相互作用力不同，导致它们的相变温度不同。
4.能量条件能量是物质相变和物态转变过程中的基本要素，也是影响这两个过程的重要因素之一。
在相变过程中，物质的能量状态会发生改变，例如在固态和液态之间的相变过程中，物质的内能和熵会发生变化。
能量的输入或输出对相变和物态转变的进行起着重要的作用。
例如，当我们将冰块放在温度较高的环境中，冰块会吸收热量，从而发生熔化相变。
总结起来，热力学相变和物态转变的条件主要包括温度、压力、物质性质和能量等方面。
这些条件相互作用，共同决定着物质从一种物态转变为另一种物态的过程。
了解这些条件对于研究物质的相变和物态转变过程具有重要意义，也有助于我们更好地理解物质的性质和行为。
材料科学基础12章相变(推荐完整)
（二）相变过程的推动力
相变过程的推动力是相变前后系统自由能变化为负值， 其负值↑，推动力↑。 1．相变过程的温度条件（P确定，其它条件都不变）。 1）在平衡条件下的相变：G=0 G=H–ToS=0，S=H/To, To 为相变的平衡温度， H 是相变热。 2）在非平衡条件下的相变： G≠0
/
T
P
(∂μ1/∂P)T≠(∂μ2/∂P)T，
由于(∂μ/∂T)P=-S，(∂μ/∂P)T=V，也即 一级相变时 S1≠S2， V1≠V2 。
因此在一级相变时熵（S）和体积
（V）有不连续变化。即相变时有相变
潜热，并伴随有体积改变。
晶体的熔化、升华；液体的凝固、气
化；气体的凝聚以及晶体中大多数晶型
一种是由程度大、但范围小的浓度起伏开始发生相变， 并形成新相核心称为成核–长大型相变；另一种却由程 度小、范围广的浓度起伏连续地长大形成新相，称为 连续型相变，如 Spinodal分解。 三、按质点迁移特征分类
根据相变过程中质点的迁移情况，可将相变分为： 扩散型和无扩散型两大类。
扩散型相变的特点是相变依靠原子（或离子）的 扩散来进行的。如晶型转变、熔体中析晶、气–固、液 –固相变和有序–无序转变。
CP1 CP2 热容量、热膨胀系数和压缩系数的不连相变温
度T0时趋于无穷大，因此可根据Cp–T曲线具有λ 形状而称二级相变为λ相变，其相变点可称λ点
或居里点。一般合金的有序–无序转变、铁磁性–
顺磁性转变、超导态转变等均属于二级相变。
二、按相变方式分类 Gibbs（吉布斯）将相变过程分为两种不同方式：
相变热力学基础-第6章
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属于二级相变的有
超导-常导转变 (Superconduct-generally conduct transition)
In、Sn、Ta、V、Pb、Nb等纯金属和Nb-Ti、Nb-Zr、 V3Ga、Nb3Sn、Nb3AlGe、Nb3Ge等金属间化合物以及YBa-Cu-O等氧化物超导体等
相 变：
在均匀单相内, 或在几个混合相中，出现了不同成分或不 同结构（包括原子、离子或电子位置位向的改变）、不同
组织形态或不同性质的相
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相变过程
相变过程：物质从一个相转变到另一个相的过程。 a）狭义的相变过程 相变前后化学组成不发生变化的过程，相变过程是个物理 过程而不涉及化学反应，如液体蒸发、α-石英与α-磷石英 间的转变。 b )广义的相变过程 包括过程前后相的组成发生变化的情况，相变过程可能有 反应发生
在相变过程中，所出现的核胚，不论是稳定相或 亚稳相，只要符合热力学条件，都可能成核长大， 因此相变中可能会出现一系列亚稳定的新相
这些亚稳定的过渡相在一定的条件下再向稳定相转化
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For example: 材料凝固时往往出现亚稳相，甚至得到非晶态
自由能最低的相最稳定(稳定相) 相对稳定相(亚稳相)具有较高的自由能，但只要亚稳相的形 成会使体系的自由能降低，亚稳相的形成也是可能的
越低，rk值越小
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2．讨论：
G 4 r3 n H T 4r 2 n
3
T0
SL
图中曲线体积自由能ΔG1为负值，界面自由能ΔG2为正值。
当系统ΔT较小，晶坯半径r很小时， ＋
ΔG1<ΔG2，ΔG随r增大而增大并始终 ⊿G
固态相变热力学原理pptx
根据热效应的性质，固态相变热效应可分为可逆热效应和不可逆热效应。
固态相变热效应的分类
固态相变过程的熵变
固态相变过程中，系统的熵会发生改变。根据热力学第二定律，固态相变过程的熵变大于零。
固态相变过程的自由能变化
在固态相变过程中，系统的自由能也会发生改变。自由能的变化可以用来判断固态相变的方向和程度。
基于动力学参数的速率表达式
相变速率与界面能和体积能成反比，与扩散系数成正比。
固态相变速率的表达式
动力学模型的实验验证和应用
通过实验测量固态相变速率，验证动力学模型的准确性。
利用动力学模型预测不同条件下的固态相变行为，如材料热处理和合金时效过程中相变序列和相组成的变化。
通过调整材料成分和制备工艺，控制固态相变过程，实现材料性能的优化。
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热力学第一定律
在固态相变过程中，若系统外界的热量流入和内部热量耗散达到平衡，则系统内各相的热力学性质（如内能、焓等）将保持不变。
热力学第二定律
在固态相变过程中，系统熵的增加是大于零的，即固态相变过程总是朝着熵增加的方向进行。
固态相变热力学平衡判据
固态相变过程的热效应
固态相变过程中，系统吸收或释放的热量。
研究现状
随着科学技术的发展，固态相变的研究也呈现了新的发展趋势。一方面，研究者们不断开发新的实验方法和测试技术，以便更好地研究固态相变过程中的物理和化学现象。另一方面，计算机模拟技术的进步也为固态相变的研究提供了更为有效的手段，使得研究者们可以通过对微观结构和性能的预测和模拟，更好地理解固态相变的原理和机制。
计算材料热力学性质的模型和算法
05
03
平衡态模拟
通过模拟粒子的长时间运动，可以达到平衡态，进而计算材料的热力学性质。
材料热力学名词解释
材料热力学名词解释
材料热力学是研究材料在不同条件下的热力学性质和相变行为的学科。
以下是一些常见的材料热力学名词解释：
1. 热力学第一定律：能量守恒的原理，即能量不会被创造或消失，只会转化为其他形式。
2. 状态函数：与材料的当前状态有关的物理量，如温度、压力和体积等。
状态函数的值只取决于系统的当前状态，与过程的路径无关。
3. 热力学第二定律：描述了能量转化的方向和过程的不可逆性。
其中最著名的表述是开尔文-普朗克表述，即不可能从单一热
源吸热使之完全转变为功而不产生其他影响。
4. 焓：表示了系统内部能量和对外界所做的功之和。
在常压下，焓变可以看作是系统吸收或释放的热量。
5. 熵：描述了系统的无序程度，是一个衡量系统混乱程度的物理量。
熵的增加表示系统的无序程度增加，熵的减小则表示系统的有序性提高。
6. 自由能：描述了系统可用能量，分为内部能和系统对外界所做的功。
自由能的变化可以用来预测系统在恒温恒压条件下是否会进行某个过程。
7. 平衡态：指系统的各种性质在时间上不再发生变化的状态，
即系统的宏观性质保持不变。
8. 相变：材料在一定条件下从一种相态转变为另一种相态的过程，如固态到液态的熔化、液态到气态的汽化等。
9. 等温过程：系统在恒定温度下进行的过程。
10. 等压过程：系统在恒定压力下进行的过程。
以上是一些常见的材料热力学名词解释，对于理解材料热力学和研究材料相变行为具有重要意义。
材料科学中的热力学原理
材料科学中的热力学原理热力学是研究热与能的关系，以及物质在热与能的作用下发生的变化的一门学科。
热力学原理在材料科学中具有非常重要的作用，可以帮助我们更好地理解材料的性质与行为。
1. 热力学基础热力学的基本概念包括状态、过程、热量、功、内能、焓等。
状态是指物质所处的各种热力学参数的集合，如温度、压力、体积等；过程是指物质从一种状态到另一种状态的变化；热量是指物质与其周围环境之间的热传递；功是指物质与其周围环境之间的功传递；内能是指物质所具有的分子内部的能量；焓是指物质所具有的分子内部能量和与周围环境交换的能量之和。
在材料科学中，我们常常需要研究材料的热力学性质，如材料的热容、热传导性能、相变等。
这些性质的研究需要基于热力学原理的基础。
2. 材料热力学性质材料的热力学性质包括热容、热扩散系数、热传导率、膨胀系数、相变等。
这些性质对于材料的应用具有非常重要的影响。
热容是指材料单位质量（或单位体积）的温度变化所吸收的热量。
它反映了材料存储热量的能力。
对于大多数材料来说，随着温度的升高，热容也会逐渐增大。
热扩散系数是指材料中热量传递速度的快慢。
它受到材料的结构和温度等因素的影响。
对于热敏材料来说，热扩散系数通常较低。
热传导率是指单位时间内单位面积的热量传递。
它同样受到材料的结构和温度等因素的影响。
对于金属等导热性能较好的材料来说，热传导率通常较高。
膨胀系数是指材料的体积在温度变化时相应的变化量。
通常情况下，随着温度的升高，材料的膨胀系数也会逐渐增大。
相变是指材料在一定条件下由一个相变为另一个相的过程。
对于材料科学来说，相变是一个非常重要的研究方向。
相变的研究可以帮助我们了解材料的结构和性质，从而更好地控制和改进材料的性能。
3. 应用举例热力学原理在材料科学中具有广泛的应用，下面以热处理和相变为例进行说明。
热处理是指对材料进行加热或降温的过程，以改变材料的结构和性质。
热处理技术在材料科学中具有非常重要的应用，可以用来改变材料的硬度、塑性、耐磨性等性质。
材料中的相变
Gr* kT
)
k0 0nns / D0
I
Dk0
exp(- G*r ) kT
令：k0
exp(-
G*r kT
)
P
I P•D
P — —受核化位垒影响的成核率因子
D — —受原子扩散影响的成核率因子
可 见 ， 在 温 度 低 时 ，D项 因 子 抑 制 了I的 增 长 ； 温 度 高 时 ，P项 因 子 抑 制 了I的 增 长 ， 只 有 在 合 适 的 过 冷 度 下，P与D因 子 的 综 合 结 果 使I有 最 大 值 。
1）均匀成核
Gr
4 3
r
3GV
4r 2
LS
r — 球形新相区的半径
LS — 液 固界面能，假定没有方向性
GV — 除去界面能外单位体积自由焓的变化
球形核胚自由焓随半径的变化
① 均匀成核相变活化能的计算
Gr
4r 2
LS
4 3
r
3GV
r — 球形新相区的半径
LS — 液 固界面能，假定没有方向性
马氏体相变：为结构畸变型相变，动力学上转变速率很快，有结晶学上的突出 特征，在合金和氧化物系统中常见。
二、相变的条件——相变过程的温度条件
由热力学可知，在等温、等压下： G H TS
平衡时，G 0， S H / T0 T0 — 相变的平衡温度。
若 在 任 一 不 平 衡 温 度 下， G H TS 0 若H、S不随温度而变化， 则： G H TH
第八章：相变
在一定条件（温度、压力或特定的外场等）下，物 质将以一种与外界条件相适应的聚集状态或结构形式存 在，这种形式就是相。
相变是指在外界条件发生变化的过程中，物相于某 一特定的条件下（或临界值）发生突变。
相变热力学能变化
相变热力学能变化相变是物质在温度和压力变化下，由一种物态转变为另一种物态的过程。
在相变过程中，会伴随着能量的转移和变化，这种能量变化称为相变热力学能变化。
相变热力学能变化通常可以分为两个部分：潜热和显热。
潜热是指在相变过程中，单位质量的物质吸收或释放的热量，而不引起温度的变化。
显热则是指在相变过程中，单位质量的物质吸收或释放的热量，同时引起温度的变化。
潜热是相变过程中最显著的能量变化。
相变过程中，物质在保持温度不变的情况下，吸收或释放潜热。
例如，当水从液态变为气态时，需要吸收潜热，而当水从气态变为液态时，会释放潜热。
潜热的大小取决于物质的性质和相变的类型。
在相变过程中，潜热的转移使得物质的温度保持不变，因此相变过程常常被用来作为温度计的基础。
显热是指在相变过程中，由于温度的变化而引起的能量变化。
相变过程中，物质的温度会随着能量的吸收或释放而发生变化。
例如，当水从固态变为液态时，它吸收热量并升温；而当水从液态变为气态时，它释放热量并降温。
显热的大小取决于物质的性质和相变的类型。
相变热力学能变化的大小和方向取决于物质的性质和外界条件。
一般来说，相变热力学能变化是一个吸热过程，即在相变过程中，物质吸收热量。
然而，也有一些特殊情况下的相变是放热过程，即在相变过程中，物质释放热量。
这取决于物质的性质以及外界条件的变化。
相变热力学能变化对于物质的性质和应用具有重要的影响。
相变热力学能变化的大小和方向可以用来研究物质的相变行为，例如研究物质的熔点、沸点等。
相变热力学能变化还可以用来研究物质的热传导性质，例如研究物质的导热系数。
此外，相变热力学能变化在工程应用中也具有重要的意义，例如在冷却系统中利用水的相变热来实现冷却效果。
相变热力学能变化是物质在相变过程中伴随的能量转移和变化。
它包括潜热和显热两个部分，潜热是在相变过程中保持温度不变时吸收或释放的热量，显热是由于温度的变化而引起的能量变化。
相变热力学能变化的大小和方向取决于物质的性质和外界条件。
热力学中的热容与相变
热容和相变在废弃物处理中的应用， 如垃圾焚烧发电、废弃物资源化利 用等。
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相变材料在节能建筑中的应用，如 储能建筑材料、建筑节能改造等。
热容和相变在环境监测和治理中的 应用，如大气污染治理、水处理等。
在工程热物理领域的应用
热力发电：利用热容原理提高发电效率 制冷技术：相变材料用于制冷技术中的热能储存和释放 工业过程控制：热容和相变原理用于工业过程的温度控制 航天技术：热容和相变原理在航天器热控系统中的应用
法
Part One
单击添加章节标题
Part Two
热容的定义与分类
热容的定义
热容是物质吸收或释放热量时，其 温度发生变化的量度。
比热容是指单位质量的物质在温度 升高或降低1摄氏度时所吸收或释 放的热量。
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根据热力学中的定义，热容可以分 为比热容、摩尔热容和定容热容等。
物质在相变过程中，热容会发生变化 不同物质的相变温度不同，热容变化规律也不同 有些物质在相变过程中，热容会呈现突变现象 相变过程中，物质热容的变化与物质分子间的相互作用有关
热容与相变在热力学中的地位和作用
热容是热力学中用于描述物质吸热或放热 能力的物理量，是物质的重要属性之一。
相变是指物质在一定条件下发生的状态变 化，如冰融化成水、水蒸发成蒸汽等。
新型热容和相变材料的研发 热容和相变的微观机制研究 热容和相变在新能源领域的应用研究 热容和相变的跨学科研究
目前研究的不足与挑战
相变机制的微观描述仍需深 入探索
高温、高压等极端条件下的 实验数据匮乏
热容理论在极端条件下的适 用性有待验证
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6.1 相变分类(按原子迁移特征分类) (3)按原子迁移特征分类
扩散型相变：依靠原子扩散进行
•原有的原子邻居关系被破坏； •溶体成分发生变化。
无扩散型相变：无原子扩散，或虽存在扩散，但不是 相变所必需的或不是主要过程。
•相邻原子的移动距离不超过原子间距，不 破坏邻居关系；
•不改变溶体成分。
马氏体相变
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6.2 新相的形成和形核驱动力
热力学指明某一新相的形成是否可能。
材料发生相变时，在形成新相前往往出现浓度起伏， 形成核胚，再成为核心、长大。 在相变过程中，所出现的核胚，不论是稳定相或亚稳 相，只要符合热力学条件，都可能成核长大，因此相变中 可能会出现一系列亚稳定的新相。 这些亚稳定的过渡相在—定的条件下再向稳定相转化
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6.2 新相的形成和形核驱动力 For example: 材料凝固时往往出现亚稳相，甚至得到非晶态。
i p
T
,
i T
p
i T
p
V V , S S
2i p2
T
2i p2
T
,
2i T 2
p
2i T 2
如果将自由能曲线分成若干段，则每个成分段固溶体的性质与 这段曲线的形状有关。
•不连续相变 •连续相变
(3)按原子迁移特征分类
•扩散型相变
•无扩散型相变
4
6.2 相变分类(按热力学分类) 一级相变（First-order phase transformations）
将化学位的一阶偏微分在相变过程中发生突 变的相变称为一级相变。金属中大多数相变为一 级相变。
5
一级相变（First-order phase transformations）
Thermodynamics and Kinetics of Metal Materials
Lecture 6
Thermodynamics of Phase Transformation
1
Thermodynamics and Kinetics of Metal Materials, M. Y. Zheng, Fall 2003
Au-Cu、Ti-AI、AI-Mn、Cr-AI、Cu-Zn、Cu-Pd、Cu-Pt、 Fe-Co、Fe-AI、Fe-Si、Fe-Ni、Fe-Pt、Ni-V等合金系
7
二级相变（Second order phase transitions）
G G
i
i
i p
T
p
C
(H )
2
T ( )
p T p
T 2 p
1 VLeabharlann ( V T)p
1 V
[ T
( p )T
]p
V1
(
V p
)T
V1
(
2
p2
)T
2
T 2
p
Cp T
2
T p
T
V
2
p2
T
V
Cp
C
p
8
二级相变
二级相变中，定压热容Cp、膨胀系数与压缩系数发生突变。
C
p
C
p
Cp
C
p
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6.1 相变分类(按相变方式分类)
(2)按相变方式分类
不连续相变（形核长大型）：形核、长大型两阶段进行， 新相和母相有明显相界面。 （小范围原子发生强烈重排的涨落）
过渡族元素化合物等 反铁磁(Anti-ferromagnetic)-顺磁转变
Fe、Mn、Cr及部分稀土元素等 超导-常导转变(Superconduct-generally conduct transition)
In、Sn、Ta、V、Pb、Nb等纯金属和Nb-Ti、Nb-Zr、 V3Ga、Nb3Sn、Nb3AlGe、Nb3Ge等金属间化合物以及Y-BaCu-O等氧化物超导体等 合金中有序-无序的转变
G G i i
S S
i p
T
i p
T
,
i T
p
i T
p
p
T
V,
T
p
S
V V , S S
自由能最低的相最稳定(稳定相) 相对稳定相，亚稳相具有较高的自由能，但只要亚稳相的 形成会使体系的自由能降低，亚稳相的形成也是可能的。
液相L、稳定相α、亚 稳定相β、γ和δ
如过冷至Tmγ以下，由液相 凝固为α、β和γ都是可能的， 都引起自由能的下降。
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6.2 新相的形成和形核驱动力
固溶体稳定性：
V V
表现：体积和熵(焓)的突变
6
二级相变（Second order phase transitions）
在相变过程中，化学势的二阶偏微分在相变过程中发 生突变的相变称为二级相变。属于二级相变的有：
铁磁-顺磁转变(Ferromagnetic-paramagnetic transition) Fe、Ni、Co及其合金，各种铁氧体，Mn-Al合物，稀土-
Crystal
Melt Melt
Lowering Temp.
相变：
在均匀单相内, 或在几个混合相中，出现了不同成分或不 同结构（包括原子、离子或电子位置位向的改变）、不同 组织形态或不同性质的相。
3
6.1 相变分类
相变种类繁多,可按不同方式分类：
(1)按热力学分类
•一级相变 •二级相变
(2)按相变方式分类
第6章 相变热力学
6.1 相变分类 6.2 新相的形成和形核驱动力 6.3 第二相析出的相变驱动力 6.4 析出相的表面张力效应 6.5 晶间偏析 6.6 固溶体的磁性转变自由能 6.7 有序-无序转变自由能 6.8 二级相变对相平衡的影响
2
第6章 相变热力学
Phase Transformation