第九章 相变
第九章 相变
9-1在大气压P 0=1.013×105P a
下，4. 0×10-3
Kg 酒精沸腾化为蒸汽，已知酒精蒸汽比容为0.607 m 8
/Kg ，酒精的汽化热为L=8.63×10-5
J/Kg ，酒精的比容υ1与酒精蒸汽的比容υ2
相比可以忽不计，求酒精内能的变化
解：酒精等温度等压下化为蒸汽，每千克吸热为 L=（u 2-u 1）+P 0（u 2-u 1）
由于u 2＞＞u 1，则M 千克酒精内能的变化为 U 2-U 2 =M （ L - P 0u 2） =3.21 ×103
J
9-2 说明蒸发和沸腾的异同，和发生沸腾的条件。
答：蒸发和沸腾是液体汽化的两种不同形式。蒸发是液体表面的汽化，任何温度下都能进行。沸腾是在整个液体内部发生的汽化，只在沸点进行。但从相变机构看，两者并无根本区别，沸腾时，相变仍在气、液分界面上以蒸发的方式进行，只是液体内部涌现大量气泡，大大增加了气液分界面，因而汽化剧烈。
9-3 氢的三相点温度T 3=14K ，在三相点时，固态氢密度ρ=81.0kg ·m -3
，液态氢密度ρ
=71.0kg ·m -3
，液态氢的蒸汽压方程
T T
p ln 3.0122
33.18ln --
= 熔解温度和压强的关系
Tm=14+2.991×10-7
p ，式中压强的单位均为帕斯卡，试计算： （1） 在三相点的气化热，熔解热及升华热（误差在5%以内）； （2） 升华曲线在三相点处的斜率。 解：求三相点处蒸汽压强p 3，
824.814ln 3.014
122
33.18ln 3=--
=p kPa p 795.63=
氢气的比容
)
(561.810795.610214
31.8133333--?=???*=
=
kg m p RT v g μ
已知固态氢比容
210235.11
-?==
g
g v ρ
液态氢比容
210408.11
-?==
l
l v ρ
（1） 由蒸汽压方程微分得到：
)3.0122()(
3
33-=T T p dT dp
g 应与克氏方程等价，因为g v ＞＞l v ，故有
)3.0122(3
3-=T T p Tv l
l 气化热为：)(10895.415-??=kg J l 熔解热：4
210097.8?=l 氢的升华热=)(10705.51
5
-??kg J （2）升华曲线在三相点处的斜率：
1332110767.4)
(-??--+=K Pa v v T l l dT dp l g
9-4饱和蒸汽压和液面的形状有什么关系？为什么？
答：凹液面时，饱和蒸汽压比平液面时小，因为在凹液面情形下，分子逸出液面所需的功比平液面时大（要多克服一部分液体分子的引力），使单位时间内逸出凹液面的分子数比平液面时少，因而饱和蒸汽压较小。
凸液面时，分子逸出液面所需的功比平液面时大，同理知，凸液面时，饱和蒸汽压比平液面时大。
9-5在容积为15.0cm 3
的容器中，装入温度为18.0℃的水，并加热到临界温度t=374.0℃，恰好在容器内达到临界状态（预先将容器抽真空后再注入适量水），问应注入多少体积的水才合适？水的临界压强p=20.8Mpa ，μ=18.0g ·mol ，18℃的水密度ρ=1g ·m -3
，水临界系数K=4.46。
解：1mol 范德瓦耳斯气体在临界态的参量关系式为：
K p RT ==3
8
μ K 是范氏气体的临界系数，一切真实气体，或多或少要偏离范氏临界系数。已知水的临界系数是4.46，若是mol 的水，在临界态的体积为v ，在V=15.0cm 3
中注入水的体积V 1恰好达到临界体积V ，这些水的摩尔数：
μ
M
v V v k =
=
若质量为M 的水，初态体积为V 1，临界体积V ，则；
)(1066.4361m M
V -?==
ρ
9-6 一理想气体准静态卡诺循环，当热源温度为100℃，冷却器温度为0℃时，作净功800J ，
今若维持冷却器温度不变，提高热源温度，使净功增加为1.60×103
J ，则这时：（1） 热源的温度为多少？
（2） 效率增大到多少？设这两个循环都工作于相同的两绝热线之间。 解：（1） 如图卡诺循环1234和1′2′34的两条绝热线相同，所以它们放给低温热源的热量相等，即 Q 2=Q 2′ 循环1234的效率为
η=A/Q 1=A/（A+Q 2）=1－（T 2/T 1） ∴ Q 2=AT 2/（T 1－T 2） 循环1′2′34的效率为
η′=A ′/Q 1′=A ′/（A ′+Q 2′）=1－（T 2/T 1′） ∴ Q 2′=A ′T 2/（T 1′－T 2） Q 2=Q 2′，有
A T 2/（T 1－T 2）=A ′T 2/（T 1′－T 2）
代入已知，解之 T 1′=473 K （2）η′=1－T 2/T 1′=1－273/473=42.3%
9-7何谓临界温度、临界压强和临界体积？
答：一般，将物质从气态等温压缩，物质将经历气态、气液共存状态和液态，等温压缩过程中压强和体积的关系曲线称为等温线，等温线上的水平部分对应于气液共存状态即相变过程。随着温度的升高，该物质等温线的水平段越来越短，以至缩短成一个点K 。K 点对应的温度、压强、体积，分别称为该物质的临界温度、临界压强和临界体积。与临界温度相应的等温线称为临界等温线。当物质的温度高于其临界温度，等温线上不再有水平部分，即等温压缩过程不再出现气液共存状态，这时无论压强多大，气体也不会液化。
9-8一个半径为1.0×10-2
m 的球形泡，在压强为1.0136×105
Nm -2
大气中吹成,如泡膜的表面张力系数α=5.0×10-2
Nm -1
,问周围的大气压强多大,才可使泡的半径增为 2.0×10-2
m ?设这种变化是在等温的情况下进行的。
解：当泡外压强P o =1.0136×105
Nm --2
时，泡内压强P 1=1
04R p α
+
，泡内体积为V 1= 2134R π
当泡外压强为P o ’时，泡内压强P 1=2
4R p α
+
'，泡内气体体积为V 2= 22
34R π
泡内体积可视为理想气体，其变化过程可视为等温，由P 1 V 1=P 2V 2得 （1
04R p α+
）2
134R π=（2
4R p α+
'）2
234R π ∴所求压强为P o ’=[ P o R 12
-4α（R 22
-R 12
）]/R 23
代入数据得：P o ’=1.27×104
N *m -2
9-9结晶过程是由哪两种过程组成的？为什么一般情况下溶液凝成多晶体？
答：结晶过程是由生核和晶体生长两种过程组成的。生核，指液体内部产生（或自发形成，或非自发形成，或人为加入）晶核。晶体生长，指围绕晶核的原子继续按一定规则排列在上面，使晶体得以发展长大。
一般情形下，晶体中往往同时有大量晶核出现，沿不同的晶面法线方向的生长速度不同，
所以到结晶完成约50%时，生长着的晶粒之间就要互相接触，使晶粒只能朝着尚有液体的方向生长，从而使晶粒具有不规则的外形，最后形成的是多晶体。
9-10 假定蒸汽可看作理想气体，由下表所列数据计算-20℃时冰的升华热。
解：克氏方程可简化成：
22RT
p l Tv l dT dp μ== 用所给数据求斜率（
dT
dp
）的平均值： )(86.9)(2112
2
11-?=??+??=K Pa T p T p dT dp )(1084.2)(162
-??=?=kg J p
RT dT dp l μ
讨论：若认为l 是常数，将上述积分得蒸汽压方程： RT
l
A p μ-
=ln
A 为积分常数，由初始条件可定，若相变潜热l=a+bT ，其中a ，b 为常数，可得：
T D T
Bl
A p ln ln --
= A 、B 、D 是三个由物体性质决定的常数，以上两式就是蒸汽压强与温度的关系式。
9-11 何谓二相图？汽化曲线有什么特点？
答：某物质两相平衡共存时，压强和温度之间有一定的函数关系，可用p-T 图上的一条曲线表示，此图形称为该物质的二相图。参（P252图） 汽化曲线OK 有下述特点：
有起点和终点。终点是临界点K ，因K 点以上不存在气液共存状态，起点是O ，因O 点以下，气相只能与固相平衡共存。 OK 两旁是气液两区。
OK 上任一点表示一个等温等压相变过程。
OK 表示出饱和蒸汽压与温度的关系，因为沸腾时外界压强等于饱和蒸汽压，所以OK 表示的也是沸点与外界压强的关系。
9-12 已知范德瓦耳斯方程中的常数，对氧气来说为a=1.35×10-6
atm ·m 6
/mol 2
，b=3.1×10－5m 3
/mol ，求氧气临界压强P k 和临界温度T K 。
解：取R=8.2×10－5atm ·m 3·mol －1·K －1
由（9.4）式得：
P K = = = 52.0atm
T K = = 15.74K
9-13 固态氨的蒸汽压方程和液态液态氨的蒸汽压方程分别为
lnP = 23.3－；
lnP = 19.49－。
式中P是以mmHg表示的蒸汽压。求：
（1）三相点的压强和温度；
（2）三相点处汽化热，熔解热和升华热。
解：（1）三相点的压强和温度分别设为P tr和T tr，有
lnP = 23.3－；
lnP = 19.49－。
上二式联立得： T tr=195.2K
P tr=44.6mmHg
(2)设固相1→液相2，熔解热为ι12；
液相2→气相3，汽化热为ι23；
固相1→气相3，升华热为ι13；
由（9.2）式ι=h2－h1
知ι12=h2－h1
ι23=h3－h2
ι13=h3－h1
∴ι12＋ι23 = ι13
即升华热等于熔解热与汽化热之和。对固态氨的蒸汽压方程微分，得 = dT (1)
凝聚相的比容相对与空气相可忽略，克拉珀龙方程写为
=（2）气相可视为理想气体，有
v3 =（3）(1)、(2)、(3)式联立，得
3754 =
或ι13=3754R=3754×9.31=3.12×104J/mol
同理，从液态氨的蒸汽压方程可得
ι23= 3063R = 2.55×104J/mol
三相点处熔解热则为
ι12=ι13－ι23=3754R－3063R=691×8.31=5.74×103J/mol
对于氨，μ=17×10－3㎏，上述相变潜热又可化为：
ι13= =1.835×106J/mol
ι23=1.497×106J/mol
ι12=3.38×106J/mol
第九章 相变
第九章 相变 9-1在大气压P 0=1.013×105P a 下，4. 0×10-3 Kg 酒精沸腾化为蒸汽，已知酒精蒸汽比容为0.607 m 8 /Kg ，酒精的汽化热为L=8.63×10-5 J/Kg ，酒精的比容υ1与酒精蒸汽的比容υ2 相比可以忽不计，求酒精内能的变化 解：酒精等温度等压下化为蒸汽，每千克吸热为 L=（u 2-u 1）+P 0（u 2-u 1） 由于u 2＞＞u 1，则M 千克酒精内能的变化为 U 2-U 2 =M （ L - P 0u 2） =3.21 ×103 J 9-2 说明蒸发和沸腾的异同，和发生沸腾的条件。 答：蒸发和沸腾是液体汽化的两种不同形式。蒸发是液体表面的汽化，任何温度下都能进行。沸腾是在整个液体内部发生的汽化，只在沸点进行。但从相变机构看，两者并无根本区别，沸腾时，相变仍在气、液分界面上以蒸发的方式进行，只是液体内部涌现大量气泡，大大增加了气液分界面，因而汽化剧烈。 9-3 氢的三相点温度T 3=14K ，在三相点时，固态氢密度ρ=81.0kg ·m -3 ，液态氢密度ρ =71.0kg ·m -3 ，液态氢的蒸汽压方程 T T p ln 3.0122 33.18ln -- = 熔解温度和压强的关系 Tm=14+2.991×10-7 p ，式中压强的单位均为帕斯卡，试计算： （1） 在三相点的气化热，熔解热及升华热（误差在5%以内）； （2） 升华曲线在三相点处的斜率。 解：求三相点处蒸汽压强p 3， 824.814ln 3.014 122 33.18ln 3=-- =p kPa p 795.63= 氢气的比容
) (561.810795.610214 31.8133333--?=???*= = kg m p RT v g μ 已知固态氢比容 210235.11 -?== g g v ρ 液态氢比容 210408.11 -?== l l v ρ （1） 由蒸汽压方程微分得到： )3.0122()( 3 33-=T T p dT dp g 应与克氏方程等价，因为g v ＞＞l v ，故有 )3.0122(3 3-=T T p Tv l l 气化热为：)(10895.415-??=kg J l 熔解热：4210097.8?=l 氢的升华热=)(10705.515-??kg J （2）升华曲线在三相点处的斜率： 1332110767.4) (-??--+=K Pa v v T l l dT dp l g 9-4饱和蒸汽压和液面的形状有什么关系？为什么？ 答：凹液面时，饱和蒸汽压比平液面时小，因为在凹液面情形下，分子逸出液面所需的功比平液面时大（要多克服一部分液体分子的引力），使单位时间内逸出凹液面的分子数比平液面时少，因而饱和蒸汽压较小。 凸液面时，分子逸出液面所需的功比平液面时大，同理知，凸液面时，饱和蒸汽压比平液面时大。
第一章金属固态相变
金 属 热 处 理 主讲 主讲 从善海从善海材冶学院金属材料工程系 1.热处理 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺，其工艺曲线如下图所示。 一、热处理及其作用 绪论 ℃ Ac 1 加热 Ac 3
●平衡脱熔沉淀 设A-B 二元合金，当成分为K 的合金被加热到t 1温度时，β相将全部溶入a 相中而成为单一的固溶体。若自t 1温度缓慢冷却至固溶度曲线MN 以下温度时，β相又将逐渐析出，这一过程称为平衡脱熔沉淀。 （二）平衡脱熔沉淀 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面和成分的突变，上坡扩散，最终使一均匀固
二、不平衡转变 （一）伪共析转变 当奥氏体以较快冷速过冷到GS和ES的延 长线以下温度时（如图1-2中虚线），奥 氏体中同时析出铁素体和渗碳体。 亚共析钢或过共析钢从奥氏体状态快 温度以下，先共析相来不 速冷却到A r1 及析出，奥氏体直接转变为铁素体和 渗碳体（F+Fe C），这种转变称为伪 3 共析转变。 这种由非共析成分所获得的共析组织称为伪共析组织
期间过饱和固溶体便会自发地发生分解，从中逐渐析出不平衡脱熔沉淀或时效
b）伸缩型半共格（c）切变型半共格 （三）非共格晶面 当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度很大时，其原子间的匹配关系便不再维持见，这种界面称为非共格界面。 （d、c ）非共格界面 二、两相间的晶体学关系 惯习面 惯习面通常以母相的晶面指数表示，如马氏体总是在奥氏体的面上形成，故 固态相变时新相与母相间往往存在 一定的取向关系，而且新相往往又 是在母相一定的晶面族上形成，这 种品面称为惯习面。 {} α′ 011 {} γ 111 // {} α′ 011 {} γ 111 马氏体的密排面与奥氏体的密排面 记着：
9 存在相变的自由表面流体问题模拟
第九章 存在相变的自由表面流动问题模拟——三相流 T.L, MARIN Deparment of Mining Engineering , University of Chile, Av. Tupper 2069 , Santiago, Chile E-mail:tmarin@ing.uchile.cl 本章介绍了流体自由表面凝固过程的固定网格数值模型，并采用水平集方法来描述自由表面的流动。V oller 和Prakash 对此方法进行了改进，考虑了液相凝固问题，包括对流和传递过程。在该方法中，液体物性与温度相关，通过设定0到1之间的孔隙率使得体积力依赖于孔隙率和温度的变化，并通过对Navier-Stokes 方程的修正来模拟液相或者固相。此外，在传热方程中使用改进的热容表达式来计算融化潜热。 1．绪论 液体在凝固时主要通过对流来传热，由于涉及到移动界面问题，所以通常难于模拟。此外，对流体有效的控制方程对固体不再适用。而且，如果问题中包含自由表面，那么流动将变得更加复杂，需要考虑相变或者凝固问题，这时都需要跟踪相界面的变化。 目前有很多种处理液体凝固的计算方法，考虑封闭空间中存在导热和自然对流的情况，V oller 和Prakash 对此作了总结[1]。进展之一为采用变形网格来处理液体－固体界面的移动问题。也可用固定网格以及焓变随温度的变化来处理该问题，这种方法的特点是较为简便，但在研究零速度封闭容器中的固体时会存在问题。对于给定的计算单元，可以简单的设置速度为零，或者通过设置粘度为潜热容[2]函数的方法来实现[3]。在这类情况下，当潜热容接近于零时，粘性会很大，这样才能模拟固体物性。V oller 和Prakash[1]研究了在一定温度范围内发生相变的情况，他们将流体描述为多孔介质，通过在Navier-Stokes 方程中引入源项来模拟相变过程，用于研究速度为零的固体情况。 存在相变的自由表面流动问题的研究难点在于其实验和计算验证均很困难。Pasandideh-Fard 等[4]采用流体体积元方法(VOF)对锡液滴和水滴热表面上[5]的凝固进行了实验和计算研究，对自由表面及过程中的焓变进行跟踪。他们的模型引入了液滴接触角以及液滴底部界面传热系数，该系数由实验测试得到并作为模拟的边界条件。 2．控制方程 纯净流体凝固过程由熔点决定。在液体冷却过程中，一旦达到这个温度，在温度继续降低之前液体开始释放相变潜热。但是在多组分体系中，相变存在一个温度范围，从固体开始出现时的液体温度开始，一直到最后一种液体凝固时的温度为止。在这种情况下，融化潜热在温度改变的同时不断释放。 相变期间固体组分(Fs)可以表示为温度的函数： ()()()()()021m m s m m m T T T T F T T T T T T εεεεεε≥+??+-?=+>≥-??<-?? (1)
固态相变 习题
第一章自测题试卷 1、固态相变是固态金属（包括金属与合金）在（）和（）改变时，（）的变化。 2、相的定义为（）。 3、新相与母相界面原子排列方式有三种类型，分别为（）、（）、（），其中（）界面能最低，（）应变能最低。 4、固态相变的阻力为（）及（）。 5、平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。 6、非平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。 7、固态相变的分类，按热力学分类：（）、（）；按原子迁动方式不同分类：（）、（）；按生长方式分类（）、（）。 8、在体积相同时，新相呈（）体积应变能最小。 A．碟状（盘片状）B.针状 C.球状 9、简述固态相变的非均匀形核。 10、简述固态相变的基本特点。 第二章自测题试卷 1、分析物相类型的手段有（）、（）、（）。 2、组织观测手段有（）、（）、（）。 3、相变过程的研究方法包括（）、（）、（）。 4、阿贝成像原理为（）。 5、物相分析的共同原理为（）。 6、扫描电镜的工作原理简单概括为：（）。 7、透射电子显微镜的衬度像分为（）、（）、（）。 第三章自测题试卷 1. 根据扩散观点，奥氏体晶核的形成必须依靠系统内的（）： A.能量起伏、浓度起伏、结构起伏 B. 相起伏、浓度起伏、结构起伏 C.能量起伏、价键起伏、相起伏 D. 浓度起伏、价键起伏、结构起伏 2. 奥氏体所具有的性能包括：（） A.高强度、顺磁性、密度高、导热性差； B.高塑性、顺磁性、密度高、导热性差； C.较好热强性、高塑性、顺磁性、线膨胀系数大； D.较好热强性、高塑性、铁磁性、线膨胀系数大。 3. 影响奥氏体转变的影响因素包括（）、（）、（）、（）。 4．控制奥氏体晶粒大小的措施有：（），（），（），（）。 5．奥氏体是Fe-C合金中的一种重要的相，一般是指（），碳原子位于（）。 6. 绘图说明共析钢奥氏体的形成过程。 7. 奥氏体易于在铁素体和渗碳体的相界面处成核的原因是什么？ 8. 简述连续加热时奥氏体转变的特点。 9. 说明组织遗传的定义和控制方法。 10. 从奥氏体等温形成动力学曲线出发说明珠光体到奥氏体的转变特征。 第四章自测题试卷 1、填空题 1) 根据片层间距的大小，可以将珠光体分为________ 、________、________。 2) 获得粒状珠光体的途径有________ 、__________ 、___________ 、___________ 。 3) 珠光体的长大方式有__________ 、___________ 、___________。
第一章 金固态相变特征
第一章 金属固态相变特征 复习：相的概念，合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 固态相变定义：固态金属（纯金属和合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，这种变化统称为金属的固态相变。 重点：理解相和相变的物理意义，固态相变的基本特征。 难点： 意义：固态相变是金属材料热处理的基础。例如，马氏体相变可以使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使 合金时效强化等。因此，研究固态相变有重要的实际意义。 金属固态相变与凝固过程相同处： * 以新相和母相的自由能差作为相变的驱动力； * 大多数固态相变也都包含成核和长大两个基本过程，并遵循结晶过程的一般规律。 但因其为固态下的结晶过程，故又具有不同于液态金属结晶的一系列特点。 热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。 热处理的作用？ （1） 改变钢的组织结构，进而改善材料的性能，延长期使用寿命； （2） 消除铸、锻、焊等工艺造成的缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，均匀钢的组织和性能； （3） 热处理还可以改善材料的切削加工性能； （4） 热处理可以提高工件表面的抗磨、耐蚀性能。 §1-1 固态相变的特点 一、相界面 金属固态相变时，新相与母相的界面为两种晶体的界面，按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）、非共格界面，如图1-1： 1、共格界面――界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相界面上的原子排列完全匹配，界面 上的原子为两相所共有，如图1-1a)。只有孪生晶面才是理想的完全共格界面。 第一类共格：当两相之间的共格联系依靠正应变来维持时，图1-2a ）； 第二类共格：当两相之间的共格联系依靠切应变来维持时，图1-2b ）。 无论哪种共格，晶界两侧 都有一定的畸变。 共格界面的特点：共格界 面的界面能很小，但因界面附 近有畸变，所以弹性畸变能大。 共格界面必须依靠弹性畸
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-TS dG = 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-SdT 2.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)T K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,
相变原理(复习题)
相变原理复习习题 第一章固态相变概论 相变：指在外界条件(如温度、压力等)发生变化时，体系发生的从一相到另一相的变化过程。 固态相变：金属或陶瓷等固态材料在温度和/或压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的改变。 共格界面：若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。 半共格界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。 非共格界面：当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度δ很大时，两相原子之间的匹配关系便不在维持，这种界面称为非共格界面；一般认为，错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面；错配度大于0.25时易形成非共格界面；错配度介于0.05～0.25之间，则易形成半共格界面。 一级相变：相变前后若两相的自由能相等，但自由能的一级偏微商（一阶导数）不等的相变。特征：相变时：体积V，熵S，热焓H发生突变，即为不连续变化。 晶体的熔化、升华，液体的凝固、气化，气体的凝聚，晶体中大多数晶型转变等。 二级相变：相变时两相的自由能及一级偏微商相等，二级偏微商不等。特征：在临界点处，这时两相的化学位、熵S和体积V相同；但等压热容量Cp、等温压缩系数β、等压热膨胀系数α突变。 例如：合金的有序-无序转变、铁磁性-顺磁性转变、超导态转变等。 均匀相变：没有明显的相界面，相变是在整体中均匀进行的，相变过程中的涨落程度很小而空间范围很大。特点：A: 无需形核；B: 无明确相界面； 非均匀相变：是通过新相的成核生长来实现的，相变过程中母相与新相共存，涨落的程度很大而空间范围很小。特点：A：即为形核-长大型相变；B: 新旧相差别较大（结构或成分）； C: 相变过程中母相与新相共存 形核功：晶核长大到r* 所需克服的能垒，或所做的功。 晶核长大的两个伴随过程：即为界面过程（满足结构）；传质过程（满足成分） 相变动力学：研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。 新相颗粒的粗化：粗化是指在相变过程中所形成的新相颗粒平均尺寸增大的动力学过程
液固相变的热力学基础
液固相变的热力学基础- - 金属有液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以讲这一转变过程称之为结晶。一般的金属制品都要经过熔炼和铸造，也就是说都要经历由液态转变为固态的相变过程。 1.1 凝固过程的宏观现象 1.1.1 过冷现象 金属在凝固之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论凝固温度T m时，并未开始凝固，而是需要继续冷却到T m之下的某一温度T n，液态金属才开始凝固。金属的实际温度T n与理论凝固温度T m之差，称为过冷度，以ΔT表示，ΔT=T m-T n。过冷度越大，则实际凝固温度越低。 过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。今属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。当以上两因素确定之后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际凝固温度越低。反之，冷却速度越慢则过冷度越小，实际凝固温度越接近理论凝固温度。但是，不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论凝固温度进行凝固。对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，凝固过程就不能进行。 1.1.2 凝固潜热 一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固相转变为液相是要吸收热量，而凝固时从液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热，后者称为凝固潜热。当液态金属的温度到达凝固温度T n时，由于凝固潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以冷却过程中出现了温度恒定的现象，温度恒定的这段时间就是凝固过程所需要的时间，凝固过程结束，凝固潜热释放完毕，温度才开始继续下降。 另外，在凝固过程中，如果释放的凝固潜热大于向周围环境散失的热量，温度将会上升，甚至发生已凝固的局部区域的重熔现象。因此，凝固潜热的石方和散失，是影响凝固过程的一个重要因素。 1.2 金属凝固的微观过程 凝固过程是如何进行的？它的微观过程怎样？多年来，人们致力于研究解决这些疑问，关于凝固过程的研究人们做了大量的工作，取得了很多卓有成效的研究结果。上个世纪20年代，有人研究了透明的易于观察的有机物的接近过程，结果发现，无论是非金属还是金属，在凝固时均遵循着相同的规律：凝固过程从其发生到结束是由两个过程构成，即起始晶核的形成和这些核心的长大。凝固时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子
第九章 相变
第九章相变 在讨论过气态，固态和液态的一些宏观性质和它们的微观结构之后，我们将介绍它们之间的相互转变—相变。本章主要介绍一级相变的性质和它遵守的规律：介绍相变曲线与三相图的性质和应用；介绍克拉珀龙方程及其简单应用，本章还将简略介绍大气中的含水，使读者认识水的相变在气象科学中的重要性 §1 相变一级相变的普遍特征 一、相变 1、相：指的是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。如：冰和水组成的系统中，冰是一个相，水是一个相，共有两个相组成。例如酒精可以溶解于水，水和酒精的混合溶液只是一个相。 说明：处于平衡条件下，在没有外力场作用时，单相系一定是宏观上的均匀系。 2、元：一种纯物质（单质或化合物）就叫做一个“元”。如：冰水系统是单元二相系；酒精水溶液是二元单元系；金属（假如不生成单一的化合物）是多元系。对于固体不同的点阵结构，对应于不同的物理性质。可以有多种不同的相。例如金刚石和石墨是碳的两个固相。α铁β铁γ铁和δ铁是铁的四个固相。 3、关于相的概念的三点说明：①以上相的定义是指物体系的平衡态而言的，在非平衡态，“均匀”不是一相所必需的条件 ②外力场不存在时单相系一定是均匀系，但外力场存化时，单相系不一定是均匀系，如重力场中处于平衡态的空气柱是单相系，但是是非均匀的。 ③对于单元系，在一定条件下两相或三相可以平衡共存。 4、相变：不同相之间的相互转变称为相变。 相变是十分普遍的物理过程，通常是由温度变化引起的，例如，温度升高冰变为水，水变为汽。但是，也经常利用压强变化来引起相变，例如，0℃的冰变受压强较大时溶化成水。 5、一级相变和二级相变：在相变时如果体积发生变化，且伴有相变潜热，这种相变叫做一级相变。 如果在相变时，体积不发生变化，也没有潜热吸收或放出，而有其他性质的变化，如热容量，热膨胀系数β等温压缩系数KT等的突变。这类相变称为二级相变，我们只讨论一级相变。
热力学相变
第二章 热力学基础 1） 热力学第零，第一，第二，第三定律的定义及其数学表达式 热力学第零定律:一切互为热平衡的物体具有相同的温度 热力学第一定律：能量从一种形式转化为其他形式时，其总量不变。表达式W q u -=? 热力学第二定律：一切自发过程都不可逆。 热力学第三定律：当温度接近0 K 时，任何凝聚系在任何压强下任何熵变都趋于零。表达式为0)(lim 0 =?→S T 2） 盖吕萨克定律和盖斯定律 盖吕萨克定律：恒压下，一定质量气体体积与热力学温度成正比。（原表述过繁琐P5）表达式摄氏表达为)15.2731(0t V V t +=，开氏表达为)15.273()15.27315.273(00T V t V V T =+= 盖斯定律：同一化学反应，热效应仅由初末状态决定。（即状态量改变仅由始末决定） 3） 理想气体状态方程 nRT PV = 4） 三种体系定义P10 开放体系：体系与环境有物质也有能量交换 封闭体系：体系与环境无物质却有能量交换 隔离体系：体系与环境无物质也无能量交换 5） 状态函数定义P11 体系性质一定时，其状态一定。表征这种一定状态的物理量称为状态函数。（温度、压力、体积、能量包括内能U 焓H 熵S 自由能A G 等）注：功W 和热Q 不是。 6） 强度性质和广度性质P11 强度性质：与体系总量无关的（温度、压强、磁场强度、密度等） 广度性质：与体系总量成正比（体积、面积、质量） 例子：将一杯水分成两杯：两杯水质量相加为原来的质量，所以质量是广度性质。显然密度是强度性质不可加。 以下个人理解： 单位广度性质就是强度性质：密度就是单位体积的质量。熵也是如此。 强度性质就是状态量 7） 熵、吉布斯自由能的定义和表达式 熵S ：指的是体系的混乱的程度。是一种热力学几率。 定义式：ωln k S = 定义式T dq dS R =。R dq 为可逆过程的热变化 对于不可逆过程T dq T dq dS R >= 吉布斯自由能G ：等温等压下做非体积功的能力。 定义式： TS H U -=
第九章相变过程
第九章第九章 相变过程相变过程相变过程 第一节第一节 相变的热力学分类相变的热力学分类 一、一级相变一级相变 热力学特点热力学特点热力学特点：： 1. 1.相变时相变时相变时，，两相的自由焓相等两相的自由焓相等（（即G 1=G 2，dG=0dG=0）。）。 ∵∵G = U+pV G = U+pV--TS TS dG = dU+pdV+Vdp dG = dU+pdV+Vdp--TdS TdS--SdT = 0 SdT = 0 假设是可逆过程且只做体积功假设是可逆过程且只做体积功，，由热力学第一定律由热力学第一定律，，内能增量为dU = TdS dU = TdS--pdV pdV ∴dG = TdS dG = TdS--pdV+pdV+Vdp pdV+pdV+Vdp--TdS TdS--SdT SdT ∴dG = Vdp dG = Vdp--SdT SdT 2. 2.相变的时候相变的时候相变的时候，，两相的自由焓一阶导数不连续两相的自由焓一阶导数不连续。 。 恒压条件下恒压条件下恒压条件下，，自由焓对自由焓对温度求导温度求导温度求导，（，（??G 1/?T ）P ≠(?G 2/?T)P 而恒压下而恒压下而恒压下，（，（??G/G/??T ）=-S ∴∴S 1≠S 2 ∴∴两相的熵发生不连续的变化两相的熵发生不连续的变化（（即没有相变潜热即没有相变潜热）。）。 温度温度T 一定时一定时，（，（??G 1/?p ）T ≠(?G 2/?p)T 而温度而温度T 一定时一定时，（，（??G/G/??p ）=V =V ∴∴V 1≠V 2 ∴∴有体积效应有体积效应 所以所以，，相变时相变时，，有相变潜热有相变潜热，，有体积效应有体积效应。。 二、二级相变二级相变 热力学特点热力学特点热力学特点：： 1. 1.两相的自由焓相等两相的自由焓相等两相的自由焓相等。。 2. 2.两相自由焓的一阶导数是连续的两相自由焓的一阶导数是连续的（即相变时即相变时，，没有相变潜热没有相变潜热，，没有体积效应没有体积效应））。 3. 3.自由焓的二阶导数不连续自由焓的二阶导数不连续自由焓的二阶导数不连续。。 P 一定时一定时，（，（??2G/G/??T 2 ）P =-(?S/S/??T)P =-(C p /T),/T), 即二级相变时即二级相变时，，C p1≠C p2，也就是两相的热容不等也就是两相的热容不等。。 T 一定时一定时，， （?2G/G/??p 2）T =(=(??V/V/??p)T =(1/V)*(=(1/V)*(??V/V/??p)T *V,*V, 而K=(1/V)*(K=(1/V)*(??V/V/??p)T K 为等温压缩系数为等温压缩系数，，所以K 1≠K 2； 即二级相变时即二级相变时，，两相的等温压缩系数是变化的两相的等温压缩系数是变化的。。 （?2G/G/??p*p*??T ）=(=(??V/V/??T)p =(1/V)*(=(1/V)*(??V/V/??T)p *V, *V, 而而α=(1/V)*(=(1/V)*(??V/V/??T)p 为等压为等压 热膨胀系数热膨胀系数，， 所以所以αα1≠α2；即二级相变时即二级相变时，，两相的等压热膨胀系数是变化的两相的等压热膨胀系数是变化的。。 第二节第二节 液————固相变固相变固相变（（熔体结晶熔体结晶））
第9章习题及答案_无机材料科学基础
第九章相变过程 9-1 名词解释： 一级相变二级相变扩散型相变无扩散型相变扩散控制的长大界面控制的长大 9-2 什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变? 9-3 分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。 9-4 马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别? 9-5 试分析应变能及表面能对固态相变热力学、动力学及新相形状的影响。 9-6 请分析温度对相变热力学及动力学的影响。 9-7 调幅分解与脱溶分解有何异同点？调幅分解所得到的显微结构与性能有何特点？ 9-8 当一种纯液体过冷到平衡凝固温度（T0）以下时，固相与液相间的自由焓差越来越负。试证明在温度T0附近随温度变化的关系近似地为：，式中?H V <0为凝固潜热。 9-9 在纯液体平衡凝固温度T0以下，临界相变势垒随温度下降而减小，于是有一个使热起伏活化 因子exp为极大值的温度。试证明当T＝T0/3时，exp有极大植。（提示：利用 表达式） 9-10 为什么在成核一生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变?什么情况下需过冷，什么情况下需过热？ 9-11 何谓均匀成核？何谓不均匀成核？晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径r*有何影响? 9-12 在不均匀成核的情况下，相变活化能与表面张力有关，试讨论不均匀成核的活化能△G h*与接触角θ的关系，并证明当时，△G h*是均匀成核活化能的一半。 9-13 铁的原子量为55.84，密度为7.3g/cm3，熔点为1593℃，熔化热为11495J/mol，固－液界面能为2.04×10－5J/cm2，试求在过冷度为10℃、100℃时的临界晶核大小，并估计这些晶核分别由多少个晶胞所组成（已知铁为体心立方晶格，晶格常数a＝0.305nm）。
相变过程
第九章相变过程 内容提要 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（或临界值时）发生突变。突变可以体现为：（1）从一种结构变化为另一种结构，例如气相、液相和固相间的相互转变，或在固相中不同晶体结构或聚集状态之间的转变；（2）化学成分的不连续变化，例如固溶体的脱溶分解或溶液的脱溶沉淀；（3）某些物理性质突变，如顺磁体－铁磁体转变，顺电体－铁电体转变，正常导体－超导体转变等，反映了某一种长程有序相的出现或消失；又如金属－非金属转变，液态－玻璃态转变等，则对应于构成物相的某一种粒子（电子或原子）在两种明显不同的状态（如扩展态与局域态）之间的转变。上述三种变化可以单独地出现，也可以两种或三种变化兼而有之。如脱溶沉淀往往是结构与成分的变化同时发生，铁电相变则总是和结构相变耦合在一起的，而铁磁相的沉淀析出则兼备三种变化。 相变在无机材料领域中十分重要。例如陶瓷、耐火材料的烧成和重结晶，或引入矿化剂控制其晶型转化；玻璃中防止失透或控制结晶来制造各种微晶玻璃；单晶、多晶和晶须中采用的液相或气相外延生长；瓷釉、搪瓷和各种复合材料的熔融和析晶；以及新型铁电材料中由自发极化产生的压电、热释电、电光效应等都可归之为相变过程。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极为重要，目前已成为研究无机材料的重要课题。 相变理论要解决的问题是：（1）相变为何会发生？（2）相变是如何进行的?前一个问题的热力学答案是明确的，但不足以解决具体问题，有待于微观理论将一些参量计算出来。后一个问题的处理则涉及物理动力学（physical kinetics）、晶格动力学、各向异性的弹性力学，乃至于远离平衡态的形态发生（morphogenesis）。这方面的理论还处于从定性或半定量阶段向定量阶段过渡的状态。对相变过程基本规律的学习、研究和掌握有助于人们合理、科学地优化材料制备的工艺过程，并对材料性能进行能动地设计和剪裁具有重要意义。 9.1 相变的热力学分类 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。 相变在无机材料的生产与制备中十分重要。例如陶瓷、水泥、耐火材料的烧成、重结晶或引入矿化剂控制其晶型转化；玻璃中防止失透或控制结晶来制造各种微晶玻璃；单晶、多晶和晶须中采用的液相或气相
4 热力学基础
第四章 热力学基础 习 题 一、单选题 1、一定量的理想气体，从同一初态分别经历等温可逆膨胀、绝热可逆膨胀到具有相同体积的终态，在绝热过程中的压强0p ?与等温过程中的压强T p ?的关系为 （ ） A. T p p ??0 C. T p p ?=?0 D. 无法确定 2、系统的状态改变了，其内能值则 （ ） A. 必定改变 B. 必定不变 C. 不一定改变 D. 状态与内能无关 3、将20g 的氦气（理想气体，且R C 2 3 V =）在不与外界交换热量情况下，从17℃升至27℃，则气体系统内能的变化与外界对系统作的功为 （ ） A. J 1023.62 ?=?E ，J 1023.62 ?=A B. J 1023.62 ?=?E ，J 1023.63 ?=A C. J 1023.62 ?=?E ， 0=A D. 无法确定 4、将温度为300 K ，压强为105 Pa 的氮气分别进行绝热压缩与等温压缩，使其容积变为原来的1/5。则绝热压缩与等温压缩后的压强和温度的关系分别为 （ ） A. 等温绝热P P >， 等温绝热T T > B. 等温绝热P P <， 等温绝热T T > C. 等温绝热P P <， 等温绝热T T > D. 等温绝热P P >， 等温绝热T T < 5、质量为m 的物体在温度为T 时发生相变过程（设该物质的相变潜热为λ），则熵变为 （ ） A. T m S λ =? B.，T m S λ > ? C. T m S λ < ?， D. 0=?S ， 6、质量一定的理想气体，从相同状态出发，分别经历不同的过程，使其体积增加一倍，然后又回到初态，则 （ ） A. 内能最大 B. 内能最小 C. 内能不变 D. 无法确定 7、一定量的理想气体，经历某一过程后，温度升高了。则根据热力学定律可以断定为：（1）该理想气体系统在此过程中吸热；（2）在此过程中外界对该理想气体系统作正功；（3）该理想气体系统的内能增加了；（4）在此过程中理想气体系统从外界吸热，又对外作正功。以上正确的断言是（ ） A. （1）、（3） B. （2）、（3） C.（3） D. （3）、（4）
第九章 相变
第九章相变 前八章我们重点讨论了气体的各种性质，也介绍了液体、固体的基本热学性质。可以说，我们基本上研究了所有的物质。到此为止，我们对热学这门课的梗概应该有一个轮廓了。但是事物之间是普遍联系的，普遍联系的原则是自然界最基本的原则。自然界中许多物质都以固、液、气三种集聚态存在，然而物质的三态可以互相转化并为物质本的性所决定。例如，常态下液体的水可变成水蒸汽，也可变成冰，而且冰可直接变成汽。都非常形象地说明了这种联系。显然，这一系列转化都与物质内部微粒的热运动有着密切关系。因此，作为普通物理的热学，至少应当对这个问题有一个简明的回答，哪怕是最肤浅的。物质为什么会发生物态变化？物态变化的条件什么？物态变化的规律是什么？这些都是我们必须回答的基本问题。这正是本章的内容。 §1单元第一级相变的主要特征 教学目的和要求：理解“相变”等概念，理解“相变潜热”的物理意义。掌握单元系一级相变的普遍特点和简单规律。 教学时间：一课时 教学内容： 一.预备知识： 1.何谓相？ 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。 例如：冰和水的混合物，冰块和水有分界面，冰块里水物理性质三均匀的，液体中的水物理性质也是均匀的。那么，冰释一个相，水也是一个相。 2.单元复相系 (1)单元：一种学化物质 (2)单元单相：一种化学物质一个相的体系 例如：冰总是水的单元单相系 水、水蒸汽没有混合，是两个单元相性 (3)单元复相系：一种化学物质，有两个或以上的相。这样的体系为单元复相系例如，冰水混合物是水的单元：相系 开着的水也是水的一个单元二相系 固体中不同的点阵结构可视为不同的相。 本书只研究单元系 3.相变：物体的相变发生变化叫相变 相变是在一定的温度和压强下进行的。例如，在1atm和100℃时，水由液体
热学第九章相变
第九章相变（phase transition）?9.0相、相变、相平衡的概念 ?9.1单元系一级相变的普遍特征 ?9.2气液相变 ?9.3克拉珀龙方程(Clapeyron equation) ?＊9.4临界温度很低的气体的液化 ?9.5范德瓦尔斯等温线对比物态方程 ?9.6固液相变 ?9.7固气相变三相图(triple phase diagram)?＊9.8同素异晶的转变
9.0相、相变、相平衡的概 念 ?许多物质都是以固、液、气三种聚集态存在着，它们在一定的条件下可以平衡共存，也可以互 相转变。 ?相(phase)：没有外力作用下，物理和化学性质 完全相同，成分完全相同的均匀物质的状态称 为相 ?例：常见的气体只有一个相， ?常见的液体只有一个相， ?但是，能呈液晶的纯液体有两个相：液相、液晶相， 低温下的液氦有两个相：氦I、氦II ?常见的固体有多个相，如：碳有三个相、冰有七个相、
相变的概念:物质在压强、温度等外界条件不变的情况下，从一个相转变为另一个相的现象称为相变。 则：相变过程就是物质结构发生突然变化的过程，因而常伴随有某种物质性质的突然变化。 例：一种物质固态液态：固液相变，一种物质液态气态：液气相变， 一种物质固态气态：固气相变，固态：一种晶体结构另一种晶体结构 同素异晶相变正常导体超导体( 超导相变)液氦：氦I 氦II(超流相变)
?单元复相系：单元指的是单一物质，复相指的是有两个以上的相。 ?在冰和水的组成系统中，冰是一个相，水是一个相，共有两个相，冰和水组成的系统就是单元复相系。 ?酒精可以溶解于水，水和酒精的混合物只是一个相。 ?纯金属是单元系，合金是多元系。 ?固体可以有多种不同的相，如金刚石和石墨是碳的两个固相。冰有七个固相。
液固相变的热力学基础
金属有液态转变为固态地过程称为凝固.由于凝固后地固态金属通常是晶体，所以讲这一转变过程称之为结晶.一般地金属制品都要经过熔炼和铸造，也就是说都要经历由液态转变为固态地相变过程. 凝固过程地宏观现象 1.1.1 过冷现象 金属在凝固之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论凝固温度时，并未开始凝固，而是需要继续冷却到之下地某一温度，液态金属才开始凝固.金属地实际温度与理论凝固温度之差，称为过冷度，以Δ表示，Δ.过冷度越大，则实际凝固温度越低.文档来自于网络搜索 过冷度随金属地本性和纯度地不同，以及冷却速度地差异可以在很大地范围内变化.今属不同，过冷度地大小也不同；金属地纯度越高，则过冷度越大.当以上两因素确定之后，过冷度地大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际凝固温度越低.反之，冷却速度越慢则过冷度越小，实际凝固温度越接近理论凝固温度.但是，不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论凝固温度进行凝固.对于一定地金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，凝固过程就不能进行.文档来自于网络搜索 1.1.2 凝固潜热 一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收地热量称为相变潜热.金属熔化时从固相转变为液相是要吸收热量，而凝固时从液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热，后者称为凝固潜热.当液态金属地温度到达凝固温度时，由于凝固潜热地释放，补偿了散失到周围环境地热量，所以冷却过程中出现了温度恒定地现象，温度恒定地这段时间就是凝固过程所需要地时间，凝固过程结束，凝固潜热释放完毕，温度才开始继续下降. 另外，在凝固过程中，如果释放地凝固潜热大于向周围环境散失地热量，温度将会上升，甚至发生已凝固地局部区域地重熔现象.因此，凝固潜热地石方和散失，是影响凝固过程地一个重要因素.文档来自于网络搜索 金属凝固地微观过程 凝固过程是如何进行地？它地微观过程怎样？多年来，人们致力于研究解决这些疑问，关于凝固过程地研究人们做了大量地工作，取得了很多卓有成效地研究结果.上个世纪年代，有人研究了透明地易于观察地有机物地接近过程，结果发现，无论是非金属还是金属，在凝固时均遵循着相同地规律：凝固过程从其发生到结束是由两个过程构成，即起始晶核地形成和这些核心地长大.凝固时首先在液体中形成具有某一临界尺寸地晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中地原子而长大.形核过程与长大过程及紧密联系又相互区别.然而，凝固过程不仅仅是晶体长大过程，晶核是如何形成地?晶核在形成前是如何演变地等问题也是凝固过程研究地重要问题.、等人建立地经典凝固形核理论，经过近八十年众多研究者地补充、完善已形成了定性解释凝固形核(尤其是均质形核)地经典教义.文档来自于网络搜索 金属液固相转变地热力学条件 凝固是由液态向固态转变地一级相变过程，这种相变过程为何发生，是如何发生地?为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定地过冷度条件下才能进行呢？这是很早以前就受到人们高度关注地研究课题之一.理论物理学家．．在年发表地《论复相物质地平衡》专著中对液固相变为何发生，从热力学角度给出了精辟地论述.人们发现这一切都是由热力学条件决定地. 由热力学可以知道，物质地稳定状态一定时期自由能最低地状态.在某种条件下，物质自动地从甲状态转变至乙状态，一定是在这种条件下：甲状态地自由能较高而不稳定，乙状态地自由能较低而更稳定.物质总是力求处于自由能最低地状态，所以才发生由甲状态转变至乙状态地自动转变过程，而促使这种转变发生地驱动力，就是这两种状态地自由能之差值. 金属各相地状态都有其相应地自由能.状态地自由能()可表示如下：
材料科学基础第九章答案
第九章答案 9-2什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变? 解：相变是物质系统不同相之间的相互转变。按相变机理来分，可以分为扩散型相变和非扩散型相变和半扩散型相变。依靠原子或离子长距离扩散进行的相变叫扩散型相变。非扩散型型相变指原子或离子发生移动，但相对位移不超过原子间距。 9-3分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。 解：相变驱动力是在相变温度下新旧相的体自由能之差（），而且是新相形成的必要条件。当两个组元混合形成固溶体时，混合后的体系的自由能会发生变化。可以通过自由能-成分曲线来确定其相变驱动力的大小。过冷度是相变临界温度与实际转变温度之 差，相变形核的热力学条件是要有过冷度。已知驱动力与过冷度之间的关系是：,这进一步说明了形核的热力学条件。 9-4马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别? 解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。 特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。 成核－生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。 9-5试分析应变能及表面能对固态相变热力学、动力学及新相形状的影响。 解：物质的表面具有表面张力σ,在恒温恒压下可逆地增大表面积dA,则需功σdA,因为所需的功等于物系自由能的增加,且这一增加是由于物系的表面积增大所致,故称为表面自由能或表面能。应变能和表面能可以影响相变驱动力的大小，和新相的形状。 9-6请分析温度对相变热力学及动力学的影响。 解：当温度降低，过冷度增大，成核势垒下降，成核速率增大，直至达到最大值；当温度继续下降，液相粘度增加，原子或分子扩散速率下降。温度过高或过低对成核和生长速率均不利，只有在一定的温度下才有最大成核和生长速率。 9-7调幅分解与脱溶分解有何异同点？调幅分解所得到的显微结构与性能有何特点？