第九章相变
材料科学基础课件第九章_相变
*二、按相变方式分类
成核－长大型相变：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。如结晶釉。
连续型相变(不稳分相)：由程度小，范围广的浓度起伏连续长 大形成新相。 如微晶玻璃。硅胶 三、按质点迁移特征分类
扩散型：有质点迁移。
无扩散型：在低温下进行，如：同素异构转变、马氏体转变
马氏体转变：
如：单元系统中。晶体I晶体II,多晶转变
广义相变：包括过程前后相组成的变化。
g L (凝聚、蒸发) g S (凝聚、升华) L S (结晶、熔融、溶解)
S1 S2 (晶型转变、有序-无序转变) L1 L2 (液体) A＋BC （ 无公度相变） 亚稳分相 (Spinodal分相)
§9－1
一、按热力学分类
相变的分类
(P，T) 一级相变和二级相变
一级相变：两相化学势相等，其一级偏微熵不 1＝ 2 相等， 1 2 (V V ) 1 2 P T P T 1 2 (-S S ) 1 2 T P T P
第九章 固态相变
Chapter9phase transformation
基本概念
相变：指在一定外界条件下，体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。即质点的重排为相变，
应用：相变可以控制材料的结构和性质。 相变开裂：石英质陶瓷 相变增韧：1）氧化锆陶瓷，如陶瓷剪刀，单 斜-四方体积增加7-9%。 狭义相变：过程前后相的化学组成不变，即不发生化学反应。
*
较小的过 冷度即可 以成核
( 2 cos )(1 cos )2 f ( ) 4
润湿 0～900 cos 1～0 f()
* G K
第9章 相变
二、相变过程推动力
相变过程的推动力是相变过程前后自由能的差值
GT P
—过程自发进行 ≤0 —过程达到平衡
1、相变过程的温度条件
G H TS
H 平衡时，有 G 0 ， S T0
若在任意一温度的不平衡条件下 G H TS 0 若△H和△S不随温度变化，则有
成核—长大型相变：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 的相变；
• 连续型相变：由程度小、范围广的浓度起伏 连续地长大形成新相的相变。
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七、按质点迁移特征分类
§9.2 相变热力学
一、相变过程的不平衡状态及亚稳区
理论上
Ａ
实际上
Ａ
Ｂ
C
Ｄ
E
亚稳区
单元系统相变过程图
亚稳区：
相变在硅酸盐工业中十分重要。相变过程中涉
及的基本理论对获得特定性能的材料和制订合理工
艺过程是极为重要的。
§9.1 相变的基本结构特征
§9.2 相变热力学
§9.3 相变动力学 §9.4 结晶与晶体生长 §9.5 薄膜材料中晶体生长
§9.1 相变的基本结构特征
一、重构型相变和位移型相变
二、马氏体相变
五、从热力学角度划分相变
根据相变前后热力学函数的变化，可将相变分 为:一级相变、二级相变。
1、一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相 的化学势相等，而化学势的一阶偏导数不相等的 相变。
1 2
1 2 T P T P
1 2 P T P T
IV
分析：IV为何出现最大值？ P
IV
D
T
2、非均匀成核－－有外加界面参加的成核。
第九章-相变过程教学教材
单位体积液体中的临界核胚的数目：
nr*
nexp(Gr*) RT
式中n一单位体积中原子或分子数目
单位时间单个原子跃迁到临界核胚表面的频率：
DD0exp(RQT)
式中a为常数：原子在核胚方向振动的频率；
但是实际上，要冷却到比相变温度更低的某一温度例如C， (气-液)和E(液-固)点时才能发生相变，即凝结出液相或 析出固相。这种在理论上应发生相变 而实际上不能发生 相转变的区域(如图2所示的阴影区)称为亚稳区。
在亚稳区内，旧相能以亚稳态存在，而新相还不能生成。 （特点）
图2 单元系统相变过程图
3、非均态成
多数相变是不均匀成核，即成核在异相的 容，器界面、异体物质(杂质颗粒)上、内部气 泡等处进行。如图所示，核是在和液体相接触 的固体界面上生成的。这种促进成核的固体表 面是通过表面能的作用使成核的势垒减少的。 成核前后系统的自由能的变化为：
ΔGh=ΔGV ’ （-）+ΔGS（+）
液体-固体界面非均态核的生成
Why?
二、相变过程推动力
相变过程的推动力是相变过程前后自由焓的 差值
ΔGT.P≤0
过程自发进行 过程自发达到平衡
1．相变过程的温度条件(重点！）
由热力学可知在等温等压下有
ΔG=ΔH-TΔS
（1）
在平衡条件下ΔG=0则有： ΔH-T0ΔS=0 ΔS=ΔH/T0
若在任意一温度T的不平衡条件下，则有
由此得出：
(1)亚稳区具有不平衡状态的特征，是物相在理论上不 能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；
(2)在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新相， 必然要越过亚稳区，这就是过冷却的原因；
第九章相变过程
第九章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。
一般相变前后相的化学组成不变，因而相变是个物理过程不涉及化学反应。
从狭义讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化；但广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。
第一节相变的热力学分类一.一级相变热力学特点：1.相变时，两相的自由焓相等（即G1=G2，dG=0）。
∵G = U+pV-TSdG = dU+pdV+Vdp-TdS-SdT = 0假设是可逆过程且只做体积功，由热力学第一定律，内能增量为dU = TdS-pdV∴dG = T dS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT∴dG = Vdp-SdT2.相变的时候，两相的自由焓一阶导数不连续。
恒压条件下，自由焓对温度求导，（∂G1/∂T）P≠(∂G2/∂T)P而恒压下，（∂G/∂T）=-S∴S1≠S2∴两相的熵发生不连续的变化（即没有相变潜热）。
温度T一定时，（∂G1/∂p）T≠(∂G2/∂p)T而温度T一定时，（∂G/∂p）=V∴V1≠V2∴有体积效应所以，相变时，有相变潜热，有体积效应。
二. 二级相变热力学特点：1.两相的自由焓相等。
2.两相自由焓的一阶导数是连续的（即相变时，没有相变潜热，没有体积效应）。
3.自由焓的二阶导数不连续。
P一定时，（∂2G/∂T2）P=-(∂S/∂T)P=-(C p/T),即二级相变时，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等。
T一定时，（∂2G/∂p2）T=(∂V/∂p)T=(1/V)*(∂V/∂p)T*V,而K=(1/V)*(∂V/∂p)TK为等温压缩系数，所以K1≠K2；即二级相变时，两相的等温压缩系数是变化的。
（∂2G/∂p*∂T）=(∂V/∂T)p=(1/V)*(∂V/∂T)p*V,而α=(1/V)*(∂V/∂T)p为等压热膨胀系数，所以α1≠α2；即二级相变时，两相的等压热膨胀系数是变化的。
第二节液——固相变（熔体结晶）一.核化均匀熔体实际上必须冷却到比熔点更低的一个温度才开始析晶。
第九章相变
CD段→液体的等温压缩过程。
下图为实验测得的各种不同温度下的等温线。
22
等温线族
23
分析上图可得到一下结论：
温度升高，饱和蒸气压增大→气液相变水平线上 移；同时气、液比体积在接近
当温度到达某一值Tk时水平线消失，B、C 两点重合于K点， Tk称为临界温度，对应等温线 →临界等温线
26
26
等温线族
27
临界点的特点：
1.表面张力为零，汽化热为零，气液分界面消失；
2.临界点液体具有最大比体积；
3.临界压强是饱和蒸气压的最大值。
28
例题3、将1.0kg 温度为250℃的水蒸汽等温压缩, 问能否全部液化？在压强多大时开始液化？从开 始液化到全部液化外界做的功是多大？ 解：临界温度374℃大于250℃，可以用等温压缩 的方法将水蒸汽全部液化。 查表知，当压强增大到250 ℃时的饱和蒸气压 P0=4.0×106N/m2开始液化。 查表知，250℃时,1.0kg水和1.0kg水蒸汽的体积 分别为V1=0.0012512m3,V2=0.05005m3
积法则。
42
图中BE段→过饱和蒸气（过冷蒸气）；CF段 →过热液体。 实际中在缺乏凝结核和汽化核时都可能存在。 BE态和CF态→亚稳态→范德瓦耳斯方程说明 亚稳态的存在。
人工降雨
14
14
若没有足够的凝结核，或凝结核过 小，即使蒸气压强超过该温度下的饱 和蒸气压，液滴仍不能形成并长大， 因而出现过饱和现象，这样的蒸气称 为过饱和蒸气压，或过冷蒸气。
15
二、沸腾 沸腾：是在液体表面及液体内部同时发生的剧 烈的汽化现象。
第九章相变过程
第九章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。
一般相变前后相的化学组成不变，因而相变是个物理过程不涉与化学反响。
从狭义讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化；但广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。
第一节相变的热力学分类热力学特点：1.相变时，两相的自由焓相等〔即G1=G2，dG=0〕。
∵G = U+pV-TSdG = dU+pdV+Vdp-TdS-SdT = 0假设是可逆过程且只做体积功，由热力学第一定律，内能增量为dU = TdS-pdV∴dG = TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT∴dG = Vdp-SdT2.相变的时候，两相的自由焓一阶导数不连续。
恒压条件下，自由焓对温度求导，〔∂G1/∂T〕P≠(∂G2/∂T)P而恒压下，〔∂G/∂T〕=-S∴S1≠S2∴两相的熵发生不连续的变化〔即没有相变潜热〕。
温度T一定时，〔∂G1/∂p〕T≠(∂G2/∂p)T而温度T一定时，〔∂G/∂p〕=V∴V1≠V2∴有体积效应所以，相变时，有相变潜热，有体积效应。
二. 二级相变热力学特点：1.两相的自由焓相等。
2.两相自由焓的一阶导数是连续的〔即相变时，没有相变潜热，没有体积效应〕。
3.自由焓的二阶导数不连续。
P一定时，〔∂2G/∂T2〕P=-(∂S/∂T)P=-(C p/T),即二级相变时，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等。
T一定时，〔∂2G/∂p2〕T=(∂V/∂p)T=(1/V)*(∂V/∂p)T*V,而K=(1/V)*(∂V/∂p)TK为等温压缩系数，所以K1≠K2；即二级相变时，两相的等温压缩系数是变化的。
〔∂2G/∂p*∂T〕=(∂V/∂T)p=(1/V)*(∂V/∂T)p*V,而α=(1/V)*(∂V/∂T)p 为等压 热膨胀系数，所以α1≠α2；即二级相变时，两相的等压热膨胀系数是变化的。
第二节 液——固相变〔熔体结晶〕一.核化均匀熔体实际上必须冷却到比熔点更低的一个温度才开始析晶。
第九章相变过程
第九章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。
一般相变前后相的化学组成不变，因而相变是个物理过程不涉与化学反响。
从狭义讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化；但广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。
第一节相变的热力学分类热力学特点：1.相变时，两相的自由焓相等〔即G1=G2，dG=0〕。
∵G = U+pV-TSdG = dU+pdV+Vdp-TdS-SdT = 0假设是可逆过程且只做体积功，由热力学第一定律，内能增量为dU = TdS-pdV∴dG = TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT∴dG = Vdp-SdT2.相变的时候，两相的自由焓一阶导数不连续。
恒压条件下，自由焓对温度求导，〔∂G1/∂T〕P≠(∂G2/∂T)P而恒压下，〔∂G/∂T〕=-S∴S1≠S2∴两相的熵发生不连续的变化〔即没有相变潜热〕。
温度T一定时，〔∂G1/∂p〕T≠(∂G2/∂p)T而温度T一定时，〔∂G/∂p〕=V∴V1≠V2∴有体积效应所以，相变时，有相变潜热，有体积效应。
二. 二级相变热力学特点：1.两相的自由焓相等。
2.两相自由焓的一阶导数是连续的〔即相变时，没有相变潜热，没有体积效应〕。
3.自由焓的二阶导数不连续。
P一定时，〔∂2G/∂T2〕P=-(∂S/∂T)P=-(C p/T),即二级相变时，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等。
T一定时，〔∂2G/∂p2〕T=(∂V/∂p)T=(1/V)*(∂V/∂p)T*V,而K=(1/V)*(∂V/∂p)TK为等温压缩系数，所以K1≠K2；即二级相变时，两相的等温压缩系数是变化的。
〔∂2G/∂p*∂T〕=(∂V/∂T)p=(1/V)*(∂V/∂T)p*V,而α=(1/V)*(∂V/∂T)p 为等压 热膨胀系数，所以α1≠α2；即二级相变时，两相的等压热膨胀系数是变化的。
第二节 液——固相变〔熔体结晶〕一.核化均匀熔体实际上必须冷却到比熔点更低的一个温度才开始析晶。
热学 (7 第九章 相变)
四、气液两相图
汽化曲线, 是液态和气态的分界线
饱和蒸汽压与温度的关系 沸点与外界压强的关系
汽化曲线终点就是临界点K 汽化曲线始点O是三相点
§9.3 克拉珀龙方程
一、方程的推导
两相平衡时的温度T和压强p有函数关系，相平衡曲线
气液二相图 汽化曲线
固液二相图 熔化曲线
Q1 ml
A m(2 1) p
在凹（凸）液面情况下，分 子由气相进入液相的概率比 平页面情况的概率大（小）
3、过饱和蒸气、凝结核、云室
若没有足够的凝结核，或凝结核过小，即使蒸气压强超过 该温度下的饱和蒸气压，液滴仍不能形成并长大，因而出现 过饱和现象，这样的蒸气称为过饱和蒸气压，或过冷蒸气。
4、云及人工降雨
暖云：大小水滴共存 冷云：由冰晶组成 混合云：由冰晶和水滴组成
pk
Vmk
Tk
pk
a
V2 2 mk
Vmk
b
R Tk
a 27b2
a
2 9b2
3b
b
R
8a 27bR
对比物态方程
3
2
3
1
8
对应态定理: 一切物质在相同的对比压强和对比温度下, 就有相
同的对比体积了.
8a Tk 27bR Vmk 3b
a pk 27b2
临界比容：液态的最大比容 临界压强：液态的最大饱和蒸汽压 临界温度：等温压缩使气体液化的最高温度
pk, k Tk之间的关系
临界系数
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相变过程也就是物质结构发生突然变化的过程。
一级相变两个特点：相变时体积发生变化， 有相变潜热。
5
5
二级相变：相变时体积不变且无相变潜热，但 热容、体膨胀系数、等温压缩率都发生突变。 例如，铁磁性物质在温度升高时转变为顺磁性 物质，氦在温度降低时由正常氦变为超流性氦。
温度高于临界温度Tk时，等温线上不出现水平部 分→要用压缩的方法使气体液化，首先需要使气 体的温度降到临界温度一下。
24
右上图看出：氧、氮、氢、氦的临界温度很低。 当时被称为是“永久气体”或“真正气体”。
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B点→气体开始液化状态。 C点→气体全部液化状态。 CD段→液体的等温压缩过程。 下图为实验测得的各种不同温度下的等温线。
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等温线族
23
分析上图可得到一下结论：
温度升高，饱和蒸气压增大→气液相变水平线上 移；同时气、液比体积在接近
当温度到达某一值Tk时水平线消失，B、C 两点重合于K点， Tk称为临界温度，对应等温线 →临界等温线
相：是指在系统中物理性质均匀的部分，它和 其它部分之间有一定的分界面隔离开来。
相变是十分普遍的物理过程，在生产和科学 技术的各个部门（如热力工程、冶金工程、化 学工业、气象学等）中都广泛地涉及各种相变 过程。
2
§9.1 单元系一级相变的普遍特征
相是指在系统中物理性质均匀的部分， 它和其它部分之间有一定的分界面隔离开来。
温度升高时，p0增大，必ห้องสมุดไป่ตู้增大V才可平衡。
当p=p0时，气泡胀大不能维持平衡。
17
18
随着温度升高，气泡胀大。当p0=p时（气泡胀大 维持不了平衡），附在器壁上的气泡胀大，使其受 浮力挣脱器壁对其的吸力→气泡从液体中涌出→液 体在小气泡内汽化（立体汽化）→液体沸腾
沸点：就是其饱和蒸汽压等于液体上方气体压强 时的液体温度。外界气体压强为1.013×105 Pa时 的沸点称为沸点。
第九章 相变
§9.1
§9.2 §9.3 §9.4
§9.5
§9.6 §9.7
单元系一级相变的 普遍特征 气液相变 克拉珀龙方程 临界温度很低气体 的液化 低温的获得* 范德瓦尔斯等温线 对比物态方程 固液相变 固气相变 三相图
1
自然界中许多物质以固、液、气三种聚集态 存在着，它们在一定条件下可以平衡共存， 也可以相互转化。
分别表示1相和2相单位质量的体积（比体积）。由 第一定律
单位质量的物质由1 相转变为2 相时， 所吸收的相变潜热是：
l (u2 u1) p(v2 v1)
8
用焓表示的相变潜热公式：
l (u2 pv2) (u1 pv1) h2 h1
9
§9.2 气液相变
一、蒸发与凝结 饱和蒸气压 凝结：物质由汽相变为液相的过程。 汽化：物质从液相变为气相的过程，有蒸发和沸 腾两种方式。 蒸发：发生在任何温度下的液体表面的汽化过程。 （表面汽化）
自然界：只观察到一级和二级相变。
下面具体讨论一级相变的两个特征。
6
1、相变时的体积变化 液相→气相:气相的体积大于液相的体积。
固相→液相时，对大多数物质是熔解时体 积增大，对少数物质是熔解时体积缩小。 例如：水、铋、灰铸铁等融化时体积缩小。
7
2、相变潜热
设u1 和u2分别表示1相和2相单位质量的内能，v1和v2
只要液体内部有可形成足够的汽化核的气体，且液 体的饱和蒸汽压等于或超过液体上方的气体压强，沸 腾现象就可发生。
19
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久经煮沸的液体因缺乏汽化核，致使被加热到沸 点以上温度时仍不能沸腾，这种液体称为过热液体。 当过热液体继续加热而使温度大大高于沸点时，极小 气泡中的饱和蒸汽压迅速增大使气泡膨胀非常之快， 甚至发生爆炸而将容器打破，这叫做暴沸。
气泡室（粒子物理学）：利用过热液体显示带电粒子 运动轨迹的仪器。
此时带电粒子充当汽化核。
20
三、等温相变
这里讨论用等温压缩方法使CO2气体液化的过程。 可获得压缩过程中压强和体积的关系曲线-等温线。
实验结果如右图ABCD所示。
AB段→液化前气体的 等温压缩过程。
继续压缩出现液体。
BC段→气液两相平衡共存。 BC段对应压强→该温度下的饱和蒸气压
饱和蒸汽：与液体保持动态平衡的蒸汽叫饱和蒸 汽，它的压强叫做饱和蒸汽压。
影响饱和蒸汽压的因素：①液体是否容易蒸发； ②温度；③液面的形状等；④与体积无关；⑤与 是否存在其它气体无关。
12
12
凹液面蒸气压小 逸出分子比平面少
凸液面蒸气压大 逸出分子比平面多
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凝结核、云及人工降雨
云室（原子核物理）：过饱和蒸气 →引入带电粒子和离子（充当凝结 核）→雾状轨迹（粒子轨迹）
如冰和水组成的系统，冰是一个相，水也 是一个相，共有两相。
对固体，不同的点阵结构，对应不同 的相，金刚石和石墨是碳的两个相。
3
3
铁的四个固相：α铁、β铁、γ铁、δ铁 冰有七个固相等等。 相变：不同相之间的相互转变称为相 变.
4
单元复相系：象冰和水组成的系统虽有两个相， 但只一种化学成分不同的物质，叫单元复相系
人工降雨
暖云：大小水滴共存→雨 冷云：由冰晶组成→雨夹雪
混合云：由冰晶和水滴组成→引入干冰或碘 化银粉末→人工降水
14
14
若没有足够的凝结核，或凝结核过 小，即使蒸气压强超过该温度下的饱 和蒸气压，液滴仍不能形成并长大， 因而出现过饱和现象，这样的蒸气称 为过饱和蒸气压，或过冷蒸气。
15
二、沸腾
沸腾：是在液体表面及液体内部同时发生的剧 烈的汽化现象。
分析小气泡的平衡条件。 泡内的压强是泡内气体的压强和这温度下的饱和 蒸气压这两部分之和。在平衡时泡内外的压强差应等 于由表面张力所引起的附加压强，
1
p0
RT
V
p
p
2
r
2
4
3
3
1
1
V3
1
V3
16
p
V 1/3
p0
RT
V
上式中P0是饱和蒸汽压，p是外界压强
10
沸腾：沸点时在整个液体内部发生的汽化过程。 （立体汽化）
此时液体内部出现大量小气泡，气液分界面大大 增加。
从微观看：蒸发分子数=液体分子跑出液面的数目－ 蒸气分子进入液面的数目
影响蒸发的因素：①表面积；②温度；③通风等
11
液面敞开时，液体不断蒸发→液体全部变为蒸气至
密闭容器里，液体不断蒸发→液体分子跑出液面 的数目=蒸气分子进入液面的数目至（动态平衡）。