材料热力学与动力学共36页文档
金属材料热力学和动力学
粗糙界面与光滑界面是在原子尺度上的 界面差别，注意要与凝固过程中固－液 界面形态差别相区别，后者尺度在μm 数量级。
B、界面结构与冷却速度及浓度（动力学因素）
变驱动力ΔG：
由麦克斯韦关系式 dG=-SdT+VdP
其微分关系式 dG G TPdT G PTdP
可知道
G TPS,
G PT
V
等压时，dP=0， dGSdTG TPdT
由于熵恒为正值 → 物质自由能G随温度上升
而下降
又因为SL＞SS，所以
G T
P
大于
L
G T
P
S
结论：液相自由能G随温度上升而下降 的斜率大于固相的斜率。
2、二维晶核台阶长大
R2
2
exp
b Tk
3、螺旋位错台阶长大
R3 3Tk2
本章结束
表明：固相表面曲率引起熔点降低。
（2）压力对物质熔点的影响：当系统的外界压力 升高时，物质熔点必然随着升高。当系统的压力 高于一个大气压时，则物质熔点将会比其在正常 大气压下的熔点要高。通常，压力改变时，熔点 温度的改变很小，约为10-2 oC/大气压。
对于像Sb, Bi, Ga 等少数物质，固态时的密 度低于液态的密度，压力对熔点的影响与 上述情况刚好相反。
ICex pK GA Tex pK G T
式中：K 为波尔兹曼常数，ΔGA 为扩散激 活能，ΔG*为形核功。
第三节、 非均质形核
一、非均质形核形核功 二、非均质形核形核条件
一、非均质形核形核功
材料热力学与动力学
一种观点： 平衡态热力学(体系的热力学力和流均为0)重
新命名为“热静力学（Thermostatics）
非平衡态热力学(涉及体系的热力学力和流)才 是名副其实的“热力学（Thermodynamics） －Kinetics
1.1.2 Kinetics
热力学（Thermodynamics） : 研究过程的可 能性。
织结构形成规律的最主要内容和最主要途径； 对焓、熵、自由能、活度等抽象的概念不再需要更多地加以注 意。
热力学的主要长处正在于它的抽象性和演绎性； 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 材料科学和材料热力学 材料科学的进步拉动材料热力学的发展； 材料热力学的发展又在为材料科学的进一步发展准备基础和条
从体系的具体结构去计算热力学函数。
统计热力学方法是从微观到宏观的方法，它补充了经典热力
学方法的不足，填平了宏观和微观之间难以逾越的鸿沟。
1.2 材料热力学和材料科学
材料热力学：From the〝energy〞point of view to discuss the equilibrium of matter。
1.1.5. 热力学的普适性
热力学的主要基础是热力学第一定律及第二定律，它们是人类 长期实践的经验总结。
热力学具有一定的普适性，它的概念和方法可以应用于一切科 学（物理学、化学、生物学）与工程领域，甚至宇宙学和社会 科学(包括宗教)。代表性的有工程热力学、化学热力学（物理化 学）以及材料热力学等。
宏观热力学的局限性: ������ 它只能回答过程变化的可能性，不能回答变化
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G = H - TS
(1.1)
H : a measure of the heat content of the system ( H = U + PV )
S : a measure of the randomness of the system
low T : TS small, solids are most stable (strongest atomic binding, low H)
Thermodynamic Functions
State Functions
The work done on a thermally isolated system is independent of the type of work and the route
Chapter 1 : Thermodynamics and Phase Diagrams
1-4
state 1 to 2 : isolated system
DSinner : from inner processes DSexner : due to heat exchange
Q
DSexter DSinner
reversible process : irreversible process : adiabatic process : irr. adiabatic process : rev. adiabatic process :
Why ? the initial state of the system is unstable relative to the final state
Chapter 1 : Thermodynamics and Phase Diagrams 1-14
材料热力学与动力学：化学势
系统中任一容量性质X（代表V，U，H，S，
G等），除了与温度、压力有关外，还与各物
质的量nB、nC、nD ···有关，即：
X = f(T, p, nB , nC , nD , nK )
如果温度、压力和组成有微小的变化，则
系统中任一容量性质X的变化为：
14
dX
50
195
70.3%
50
150
193
100 cm3 (20%) + 100 cm3 (20%) = 200 cm3
要描述一多组分均相系统的状态，除了指明温 度与压力外，还必须指明系统中每种物质的量。为 此，引入一个新的概念-偏摩尔量。
13
偏摩尔量的定义： 在多组分系统中，每个热力学函数的变量不止
T、P两个，还与组成系统各物的物质的量有关。
X T
dT
p,nB ,nc ...
X p
dp
T ,nB ,nC ...
i
K B
X ni
dni
T , p,n j (i j )
在等温、等压的条件下：
dX
i
K B
X ni
dni
T , p,n j (i j )
偏摩尔量Xi的定义为：
Xi
def
X ni
T , p,n j (
ji)
15
在引入偏摩尔量的概念后，任一容量性质的微 小变化可表示为：
H ni
T , p,n j ( ji)
Si
def
S ni
T , p,n j (
ji)
Ui
def
U ni
T , p,n j ( ji)
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学是材料科学中非常重要的一部分，它涉及了材料的热力学
性质和动力学行为。
热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，而动力学则是研究物质内部结构和性能随时间、温度、应力等因素变化规律的科学。
本文将对材料热力学与动力学进行简要介绍和分析。
首先，热力学是研究物质内部能量转化和传递规律的科学。
在材料科学中，热
力学的研究对象包括材料的热容、热导率、热膨胀系数等热力学性质。
这些性质对材料的热稳定性、热传导性能等起着重要作用。
在材料的加工、制备和使用过程中，热力学性质的变化会直接影响材料的性能和稳定性。
因此，热力学的研究对于材料科学具有重要意义。
其次，动力学是研究物质内部结构和性能随时间、温度、应力等因素变化规律
的科学。
在材料科学中，动力学的研究对象包括材料的弹性模量、塑性变形行为、断裂韧性等动力学行为。
这些行为对材料的力学性能、耐久性等起着重要作用。
在材料的加工、使用和寿命预测过程中，动力学行为的变化会直接影响材料的性能和可靠性。
因此，动力学的研究对于材料科学也具有重要意义。
综上所述，材料热力学与动力学是材料科学中不可或缺的一部分，它涉及了材
料的热力学性质和动力学行为。
研究材料热力学与动力学，有助于深入理解材料的性能和行为规律，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
希望本文的介绍能够对材料热力学与动力学有所帮助，也希望能够引起更多人对这一领域的关注和研究。
材料中的热力学和热动力学
材料中的热力学和热动力学材料的热力学和热动力学领域有着广泛的应用和深刻的理论研究。
它们不仅是材料科学的基础，而且在理解和控制材料的各种物理和化学性质方面也起着至关重要的作用。
本文将探讨材料中的热力学和热动力学的相关知识。
热力学热力学研究的是物质的宏观热性质，在理论和应用方面都具有重要的地位。
热力学的基本概念包括能量、热量、温度、热容等。
其中，热容描述的是物质吸热或放热过程中温度和热量之间的关系，通常分为定压、定容热容。
材料的热容是材料在吸收热量时温度变化的能力，热容的大小与材料内部分子间的相互作用有关，包括材料的结构、晶格缺陷、密度、配位情况、元素化学组成等。
热力学还研究了材料与外界的热量交换。
通过热力学可以推导出热力学定律中的温度对时间的影响，它预测了材料的热响应行为，包括吸热效应和放热效应。
材料学家使用传统热力学理论，熟练掌握了材料的生成、分解、稳定性等方面的热力学知识。
例如，合金中化学反应速率、材料中的相变温度以及材料的热力学稳定性等。
这些都为实现材料的设计和生产提供了关键指标。
热动力学热动力学则有更多关于“动”的概念，除了能量和热量，它还包括材料中粒子的运动和速度等。
热动力学关注的是材料中小尺度物理、化学现象。
此时，涉及的热力学量就不再是宏观的能量和热量，而是分子和原子间的能量和运动方式。
例如，热力学中的熵就源于粒子相对位置的不确定性，即热分子自由运动而造成的混沌和无序的程度。
热动力学理论被用于研究材料中单个粒子的运动，例如扩散和形貌变化，如晶格缺陷和界面。
它还被用于研究物理化学性质，在生物学、统计力学和热力学等领域都具有潜在的应用价值。
结论材料中的热力学和热动力学是相互联系的，它们共同构成了材料科学中的一个重要领域。
热力学研究材料和外界之间的热力交换，而热动力学则关注材料中粒子的运动和速度，它们分别提供了关键的理论和工具，帮助我们更好地理解和控制材料的各种物理和化学性质。
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学材料热力学与动力学是材料科学中两个重要的分支，它们研究物质的热力学和动力学特性，对于了解材料的性质、结构和行为有着重要的意义。
在本文中，我们将从基本概念、应用领域和实验方法等方面介绍材料热力学与动力学。
首先，让我们来了解一下材料热力学。
热力学是研究物质与能量之间转化关系的科学，热力学定律描述了物质和能量的行为规律。
热力学的研究对象是宏观系统，即大量粒子组成的系统。
材料热力学是将热力学原理应用于材料科学领域的一门学科，主要研究材料的热力学性质和热力学过程。
材料热力学研究的对象包括材料的热容、热导率、热膨胀、热稳定性等热力学性质，以及材料的相变、晶体结构、晶体缺陷、溶解度等热力学过程。
热力学定律可以用数学方程式描述物质和能量之间的关系，通过热力学定律的应用，我们可以预测材料在不同条件下的热力学性质和热力学过程。
材料热力学在材料科学中有着广泛的应用领域。
在材料制备过程中，我们可以利用热力学原理来优化材料的制备条件，提高制备效率和质量。
例如，通过热力学计算可以确定合适的温度和压力条件来合成具有特定结构和性能的材料。
在材料设计和优化中，热力学计算可以帮助我们预测材料的相变和稳定性，选择合适的材料和工艺条件。
材料动力学是研究物质的运动和变化过程的科学，它描述了物质在力的作用下的行为规律。
材料动力学研究的对象是微观粒子，在材料科学领域中主要研究材料的相变、晶体生长、晶体缺陷和扩散等动力学过程。
材料动力学的研究方法有实验方法和理论方法两种。
实验方法主要通过实验观察和测试来研究材料的动力学过程，例如通过晶体生长实验和扩散实验来研究材料的生长速度和扩散行为。
理论方法则通过建立数学模型和方程式来描述材料的动力学过程，并通过数值计算和模拟来预测材料的行为。
材料动力学在材料科学中也有着广泛的应用领域。
在材料制备过程中，我们可以利用动力学原理来控制和优化材料的生长速度和形貌，以实现期望的结构和性能。
例如，通过研究晶体生长动力学过程，可以选择合适的生长条件来制备高质量的晶体。
材料热力学与动力学
工程热力学: 应用于机械 化学热力学: 应用于化学现象或与化学有关的物理现象 材料热力学: 在引述热力学基本原理的基础上，着重以 固体材料为例说明这些原理的应用, 实则 是化学热力学的引伸.
A theory is the more impressive, the greater the simplicity of its premises, the more different kinds of things it relates, and the more extended its area of applicability. Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content which I am convinced it will never be overthrown within the framework of applicability of its basic concepts. A. Einste
材料热力学
热力学（thermodynamics）最初因研究热和 机械功相互转化的关系而得名；进而发展成 从能量观点研究物质的热性质和热运动，以 及建立有关平衡的一般规律的科学。
它是研究物质体系的能量及其转换的科学。
Thermodynamics is the field of science that deals with energy and its transformations.
一种观点： 平衡态热力学(体系的热力学力和流均为零)重 新命名为“热静力学（Thermostatics）
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21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
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材料热力学与动力学
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 —罗·伯顿