材料热力学与动力学数学基础
热力学与动力学往年考试整理
判断题：1.由亚稳相向稳定相转变不需要推动力。
X2.压力可以改变材料的结构，导致材料发生相变。
V3.对于凝聚态材料，随着压力升高，熔点提高。
V4.热力学第三定律指出：在0K时任何纯物质的熵值等于零。
X5.在高温下各种物质显示相同的比热。
V6.溶体的性质主要取决于组元间的相互作用参数。
V7.金属和合金在平衡态下都存在一定数量的空位，因此空位是热力学稳定的缺陷。
V8.固溶体中原子定向迁移的驱动力是浓度梯度。
X9.溶体中析出第二相初期，第二相一般与母相保持非共格以降低应变能。
X10.相变过程中如果稳定相的相变驱动力大于亚稳相，一定优先析出。
X1.根据理查德规则，所有纯固体物质具有大致相同的熔化熵。
2.合金的任何结构转变都可以通过应力驱动来实现。
3.在马氏体相变中，界面能和应变能构成正相变的阻力，但也是逆相变的驱动力。
4.在高温下各种纯单质固体显示相同的等容热容。
5.二元溶体的混合熵只和溶体的成分有关，与组元的种类无关。
6.材料相变形核时，过冷度越大，临界核心尺寸越大。
7.二元合金在扩散时，两组元的扩散系数总是相同。
8.焓具有能量单位，但它不是能量，也不遵守能量守恒定律；但是系统的焓变可由能量表达。
9.对于凝聚态材料，随着压力升高，熔点提高,BCC—FCC转变温度也升高。
10.由于马氏体相变属于无扩散切变过程，因此应力可以促发形核和相变。
简答题：1．一般具有同素异构转变的金属从高温冷却至低温时，其转变具有怎样的体积特征？试根据高温和低温下自由能与温度的关系解释此现象。
有一种具有同素异构转变的常用金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是那种金属？简要解释其原因？（8分）答：在一定温度下元素的焓和熵随着体积的增加而增大，因此疏排结构的焓和熵大于密排结构。
G=H-TS,低温下，TS项贡献很小，G主要取决于H。
而疏排结构的H大于密排结构，疏排结构的自由能G也大于密排结构。
所以低温下密排结构是稳定相。
高温下，G主要取决于TS项，而疏排结构的熵大于密排结构，其自由能G则小于密排结构。
材料中的热力学与动力学1
17
The state of a System at Equilibrium: -Defined by the collection of all macroscopic properties that are described by State variables (p, n, T, V, …)
or
∆U=q+w
− ������������= ������������
7
2th Law:
Define Entropy: - Puts restrictions on useful conversion of q to w - Follows from observation of a directionality to natural or spontaneous processes - Provides a set of principles for - determining the direction of spontaneous change - determining equilibrium state of system
11
3th Law:
Corollary:
It’s impossible to decrease the temperature of any system to T=0K in a finite number of steps.
12
These laws are Universally Valid, they cannot be circumvented.
-For a one-component System, all that is required is “n” and 2 variables. All other properties then follow.
2热力学基本关系式热力学与动力学
2 G G V 1 V pT T p T p V T
2 G G V 1 V V V p p 2 p p p T V p T
2
dS
Q
T
dH C p dT T T
(G T ) 1 H H (1 T ) S T T p T T p p T p
C p dT TdS
S C p T T p
H U pV F U TS G U pV TS H TS
运用微分原理可以得出这些状态函数之间相互联系的许多关 系式。当封闭体系进行只作体积功的可逆过程时，由热力学 第一定律和第二定律可以得出热力学基本公式。
dU δq δW
δW pdV
dU δq pdV
• 克劳修斯-克拉佩龙方程
一级相变的概念 体系由一相转变为另一相时，如果两相（相和相的自由能相等，但是自 由能的一级偏微商（一阶导数）不等，则称为一级相变，即
G G
G G T p T p
G S T p
G G p T p T
dG SdT Vdp
G V p T
因此，体系在平衡相变温度下进行一级相变时，熵和体积发生不连续的变化，相 变时伴有相变潜热的释放。多数的相变属于一级相变，如金属的凝固、熔化等。
dT p
+
G p T
G d p p T T
dp T
材料热力学与动力学
《材料热力学与动力学》读书报告一、概述1、体系与环境体系是所研究的对象的总和，或者把所要研究的那部分真实世界的各物体想象的从其周围划分出来作为研究对象。
而环境是指与所研究对象（体系）有联系、有影响的部分，或指体系以外与之联系的真实世界。
体系与环境是相互依存和相互制约的一对，对于不同的研究内容，体系与环境也不同，如何划分体系与环境，完全根据所研究问题的性质来决定。
热力学体系与环境之间的相互联系是指它们之间所发生的物质交换和能量交换，而能量交换的形式有传热和做功。
根据体系与环境之间相互联系的不同，可以将体系分为三类：（1）开放体系：又称敞开体系，体系与环境之间，既有物质交换，又有能量交换；（2）封闭体系：体系与环境之间，只有能量交换，没有物质交换；（3）孤立体系：又称隔离体系，体系与环境之间，既没物质交换，也没有能量交换。
2、体系的性质根据体系的性质与体系中物质数量的关系，可将其分为两类：（1）容量性质：又称广延性质或广延量，其数值与体系中物质的数量有关，整个体系的某个容量性质的数值，为体系中各部分该性质数值的总和，即具有加和性。
如体积、质量、内能、热容、熵等。
（2）强度性质：又称内禀性性质或强度量，其数值与体系中物质的数量无关，没有加和性。
如温度、压力、密度等。
容量性质与强度性质虽有上述区别，但是容量性质有时也可以转化为强度性质，即容量性质除以总质量或总物质的量就成为强度性质。
如体积为容量性质，而摩尔体积为强度性质，热容为容量性质，而摩尔热容则为强度性质。
3、状态与状态函数热力学用体系所具有的宏观性质来描述其状态。
当体系的一系列性质，如质量、温度、压力、体积、组成以及焦聚状态等全部确定以后，这个体系就具有了一个确定的状态。
反之，体系状态确定后，其所具有的宏观性质均有确定值，与到达该状态前经历无关。
由于状态与性质之间的单值对应体系，体系的这些热力学性质又称做状态函数。
状态函数只与体系的始态与终态有关，与变化的具体历程无关。
材料热力学与动力学_2
C 2 C1
Fick’s first law in Cylinder-System
C C1 C2 r
If (r2-r1) << r1 (thin walled), ln(r2/r1)=ln(1+(r2-r1)/r1)=(r2-r1)/r1
dm dt 2 Lr1 D C 2 C1 r2 r1
Chapter 2. Diffusion
Prof. Dr. X.B. Zhao
Department of Materials Science and Engineering Zhejiang University
Diffusion Process
1 B A 2
G
@ T0
mA1
G1
G3
G4
G2
mB2
Chapter 2 : Diffusion
2-13
2.2 Steady-State Diffusion
2.2.1 Diffusion through the cylinder wall
For steady-state diffusion the flux through a cylinder wall with radius of r (r1 < r < r2) is a constant.
This means y 2 ( t ) will increase d 2 if the atoms jump one time. If the jump frequency of the atoms is n, an atom will jump nt times from t = 0 to t = t, and then we have: y 2 ( t ) d 2 n t Einstein has demonstrated that d 2n equals to 2D for one dimensional and to 4D and 6D for two- and three-dimensional case respectively.
金属材料热力学和动力学
C、界面结构和熔融
若将 = 2，η/ν= 0.5同时代入（3-21），
则： Sf H ma/k 2k14k
T m
v 0.5
对一摩尔 ΔSf = 4k· N = 4R.由（3-21）式可 知： 熔融熵ΔSf 上升，则 增大，
所以ΔSf ≤4R时，界面以粗糙面为最稳定。
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因
能之差ΔGV （负）和阻碍相变的液-固界面
能σ SL（正）：（如图）
GV GV VS
ASL
G3 4r3V G SV4r2SL
液相中形成球形晶胚时自由能变化
二、 形核率
形核率：是单位体积中、单位时间内形成 的晶核数目。
• 大小为临界半径r*的晶核处于介稳状态， 它们既可消散也可长大。只有r＞r*的晶核 才可成为稳定晶核。均质形核的形核率I 可表示为：
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。
三、溶质平衡分配系数K0 1、 K0的定义和意义： A、 定义：溶质平衡分配系数K0 定义为恒 温T*下固相合金成分浓度C∗S 与液相合金
成分浓度C∗L 达到平衡时的比值：
即： K0= C∗S / C∗L
假设液相线及固相线为直线，则:
K0= C∗S / C∗L =ml/ms=常数
B、 K0 的物理意义：对于K0＜1， K0 越小，
分析：
2012硕士《材料热力学与动力学》复习练习题
Question 16
1） 指出各水平线的三相平衡反应 2） w(SiO2)=0.40 的系统(图中 R 点)从 1700C 冷却到 1000C 时的冷却曲线示意图。 注明每一阶段系统有哪些相？发生哪些 变化？指出各阶段的自由度数？ 3） w(SiO2)=0.10 的系统 12 kg，冷却到 1400C 时，液相中含 MnO 多少 kg？ 4） w(SiO2)=0.60 的系统 1500C 以哪些相存在？计算其相对 量。
4
2012 研究生《材料热力学与动力学》复习练习题（10 月 8 日交，手写完成）
Question 1 进行下述过程时，系统的ΔU、ΔH、ΔS和ΔG何者为零？ 1.1 非理想气体的卡诺循环； 1.2 隔离系统中的任意过程； 1.3 在100C，1大气压下1mol水蒸发成水蒸汽； 1.4 绝热可逆过程。 Question 2 1mol 理想气体等容升温到状态 3，求 Q,W,ΔU,ΔH。 若将理想气体先等压膨胀到状态 2，然后再等温（可 逆）压缩到状态 3，求 Q,W,ΔU,ΔH，并与直接从 1 到 3 的途径相比较。
Question 11 导出液相中 Bi 的活度系数的估算公式。
H m T a Bi exp ( 1) RT Tm
其中，熔化热为 H m 纯 Bi 的熔点为 Tm，R 为气体常数。
Question 12 对下列二元相图，指出其中的错误 (用相律说明原因)
2
Question 13
Trouton's定律为表示为:
1 (V1,T1) 2 (V2,T2) V
H vap 90Tb
单位J/mol, 其中Tb为沸点(K), 汞的沸点为630 K. 计算在
298K液态汞的分压. 用Troutons定律估算汞的汽化热.
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。
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N个不可区分的物体中放进M个容器内（N<=M),每 个容器内不超过一个物体，则共有排列方式为
M！ （M - N）！N！
Stirling公式（N很大时）
ln N! N ln N N
(x0 (x
(n 1)!
))
(x
x0
)n1，(0
1)
2、排列组合公式
把N个可区分的物体，按一定次序排列，可以有N! 个不同的排列数
从N个可区分的物体中取出任意R个物体的排列数 N!/(N-R)!
一个组合是N个可区分的物体不考虑其次序的一
种集合，从这个集合中取出任意R个的不同组合
数为
N！
（N - R)！R!
1、一元函数的泰勒公式
若函数f(x)在还有x0的某个开区间(a,b)内具有直到 (n+1)阶的导数，则当x在(a,b)内时，有下面的n阶
泰勒公式：
f (x)
f (x0 )
f ' (x0 )(x x0 )
f
'' ( x0 2!
)
(x
x0
)2
......
f
(n) ( x0 n!
)
(x
x0
)n
f
( n 1)