相变的概念与分类
了解化学物质的相变与熔点
了解化学物质的相变与熔点相变是指物质在一定条件下，由一种状态转变为另一种状态的过程。
而熔点则是指物质从固态转变为液态的温度。
了解化学物质的相变与熔点，对于我们深入理解物质的性质和应用具有重要意义。
本文将介绍相变和熔点的概念，并通过一些实例来说明它们在化学中的应用。
一、相变的概念与分类相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程。
一般来说，物质存在固态、液态和气态三种基本状态。
在这些状态之间发生的相变，主要包括固态到液态的熔化、液态到气态的汽化、气态到液态的凝结以及液态到固态的凝固。
1. 熔化：熔化是指物质由固态转变为液态的相变过程。
在熔化过程中，物质的分子或离子排列发生改变，结构由有序变为无序。
常见的例子包括冰在0摄氏度时变为水，蜡状物体在加热后变为液体等。
2. 汽化：汽化是指物质由液态转变为气态的相变过程。
在汽化过程中，物质的分子或离子间的吸引力逐渐减弱，从而使液体变为气体。
水的沸腾是一种典型的汽化现象，当水的温度达到100摄氏度时，水开始沸腾，液态水分子逐渐转变为气态水蒸气。
3. 凝结：凝结是指物质由气态转变为液态的相变过程。
在凝结过程中，气体分子间的吸引力增强，使气体变为液体。
冷凝汽水是一种常见的凝结现象，当水蒸气冷却后，分子之间的吸引力增强，水蒸气逐渐凝结成液态水。
4. 凝固：凝固是指物质由液态转变为固态的相变过程。
在凝固过程中，固态的物质的分子或离子重新排列，形成有序的结构。
例如，水在0摄氏度以下会逐渐凝固成冰。
二、熔点的概念与测定方法熔点是物质从固态转变为液态的温度，是物质的特性之一。
不同的物质具有不同的熔点，可以用来鉴别和纯度的检测。
测定熔点的方法主要有以下几种：1. 传统的熔点测定方法：将待测物质装入装有玻璃管的熔点管中，然后将熔点管加热，观察物质的状态变化。
当物质开始发生熔化时，可以通过温度计来确定熔点。
2. 仪器测定熔点方法：现代化学实验室通常使用自动熔点测定仪来测定熔点。
该仪器通过加热和冷却样品，测量样品的温度变化曲线，并通过显示屏或计算机来记录和分析数据，从而确定样品的熔点。
物质的相变与相图分析
物质的相变与相图分析相变是物质在特定条件下由一种物理状态转为另一种物理状态的过程，是物质世界中一种普遍存在的现象。
相图则是描述物质在不同温度、压力条件下相变行为的图示。
在本文中，我们将探讨物质的相变与相图分析的相关知识。
一、相变的概念与分类相变是物质由一个特定的物理状态转变为另一个特定的物理状态的过程。
根据相变发生时物质性质的变化，相变可分为一级相变和二级相变两类。
一级相变指的是物质在相变温度下，在压强不变的情况下，物质从一个相转变为另一个相，这种相变过程伴随着潜热的吸收或释放，温度保持不变。
例如，水从液态转变为固态的冰，或从液态转变为气态的水蒸气，都是一级相变。
二级相变则是指物质在相变温度下，在压强不变的情况下，物质由一个相转变为另一个相，这种相变过程伴随着物理性质的连续改变，常常以某种物理量的奇点出现。
例如，铁的铁磁性相与顺磁性相之间的相变即为二级相变。
二、相图的基本概念与表示方法相图是描述物质在不同温度和压力条件下，不同相之间的相变关系的图示。
在相图中，常用坐标表示温度和压力，不同的相在相图中用不同的区域表示。
以水的相图为例，水的相图一般用P-T（压力-温度）坐标表示。
在常压下，从低温到高温，水会经历固态、液态和气态三种相。
相图中，水的固态区域用蓝色表示，液态区域用红色表示，气态区域用黄色表示。
相图中还会标明物质在不同相下的相变温度和相变压力。
除了P-T相图外，还有其他类型的相图，如组分-温度（C-T）相图，用来描述多组分体系在不同温度下的相变行为。
三、相图分析的应用相图分析在实际应用中有着广泛的作用。
首先，相图分析可用于预测物质在不同条件下的相变行为，为实验设计提供理论依据。
例如，相图分析可以帮助确定合金在不同温度下的相变行为，为材料设计和优化提供指导。
其次，相图分析可用于解释物质的性质和行为。
通过相图的分析，可以了解物质不同相的稳定性，以及相变温度和压力对物质性质的影响。
这对于理解物质的物理化学性质具有重要意义。
物理学中的相变和相图分析
物理学中的相变和相图分析相变和相图是物理学中非常重要的概念。
在材料科学、化学、地球物理学以及其他许多领域中，相变和相图都起着至关重要的作用。
本文将深入探讨相变和相图的概念、应用以及实验方法。
一、相变的概念和分类相变是指物质在外部条件改变（如温度、压力等）下发生的物态改变。
常见的相变有固体-液体相变、液体-气体相变以及固体-气体相变等。
相变的条件称为相变点，相变点通常用相图来描述。
根据相变的性质，相变可以分为几种类型。
一种是一级相变，如水的冰点相变。
在这种相变中，物质的状态会急剧地改变，例如固体变为液体，同时物质的热容和温度也会发生明显变化。
另一种是二级相变，如水的沸点相变。
在这种相变中，物质的状态也会改变，但相变过程中物质的热容和温度没有任何明显变化。
二、相图的概念相图是描述物质在相变条件下的状态的图表。
在相图中，横轴通常表示温度，纵轴通常表示压力或浓度。
不同的物质有不同的相图，每个相图都有其特定的相变点和相变曲线。
相图的制备需要大量的实验数据和计算，因此相图在材料科学、化学等领域中有着广泛的应用。
三、相图的实验方法制备相图需要进行许多实验，其中最重要的是相平衡实验。
相平衡实验通常需要使用稳定的实验装置和各种各样的传感器来测量物质的温度、压力等参数。
在实验过程中，需要逐步改变条件，例如逐渐降低温度或增加压力，使物质逐步达到平衡状态。
这种实验需要高度专业化的技术和仪器，因此相平衡实验通常需要在大型实验室或研究中心中进行。
除了相平衡实验以外，还有许多其他的实验方法可以用于制备相图。
例如热分析法、差热分析法等。
这些方法可以直接或间接地测定物质的热容、热导率、热膨胀系数等物理性质，通过计算和分析获得相图中的数据。
四、相图的应用相图在材料科学中有着广泛的应用。
例如，相图可以用于预测合金在不同温度下的微观结构以及物理性质，从而优化合金的制备过程。
相图还可以用于研究碳水化合物的结构和物理性质，解决食品加工和保存等问题。
相变的概念
相变的概念相变是物质在一定条件下从一种物态转变为另一种物态的过程。
在相变过程中，物质的性质和结构发生改变，通常伴随着吸热或放热现象。
相变可以分为固液相变、液气相变和固气相变三种类型。
固液相变是指物质从固态转变为液态的过程，也就是熔化。
固液相变的温度被称为熔点，熔点是物质固液相平衡态的温度。
当物质的温度升高到熔点时，固体的结构发生变化，晶格内的分子或原子振动幅度增大，逐渐失去规则排列。
在熔化的过程中，固体所吸收的热量用于克服分子之间的相互作用力，使得固体分子能够自由移动，最终形成液体。
液气相变是指物质从液态转变为气态的过程，也就是蒸发。
液气相变的温度被称为沸点，沸点是物质液气相平衡态的温度。
当物质的温度升高到沸点时，液体分子的平均动能增大，一部分液体分子具有了足够的能量克服液体表面的引力，从而逃逸到气体相。
在蒸发的过程中，液体所吸收的热量用于提高分子的平均动能，使得液体中分子的运动速度逐渐增大，最终形成气体。
固气相变是指物质从固态转变为气态的过程，常见的固气相变是升华。
在常温下，一部分物质直接从固体相转变为气体相，而不经过液体相。
升华的逆过程被称为凝华，即气体直接转变为固体。
典型的例子是冰的升华，即在低于冰的熔点时，固体水直接升华为水蒸气。
相变过程中，物质的性质发生明显的变化。
以水为例，当温度低于0时，水以固态存在，具有固定的形状和体积。
当温度升高到0时，水开始熔化成液态，形成流动的液体，具有固定的体积但没有固定的形状。
当温度继续升高到100时，水开始沸腾，转变为气态，具有自由流动的分子，体积也没有固定的限制。
相变过程中，物质的密度、形状和体积都发生了变化，这是相变现象的显著特点。
相变是由于分子或原子之间的相互作用力的变化导致的。
在固体中，分子或原子紧密排列，存在着强烈的相互作用力，使得固体具有一定的形状和体积。
当温度升高时，分子或原子的振动幅度增大，使得相互作用力逐渐减弱，最终失去规则排列，即发生熔化。
相变与相图的基础知识
相变与相图的基础知识相变和相图是物质在不同条件下发生的重要现象和描述方法。
相变是指物质在一定条件下由一种相态转变为另一种相态的过程，而相图则是用图形的方式展示了物质在不同温度、压力等条件下的相变规律。
一、相变的基本概念与分类相变是物质的一种内部状态的改变，主要包括固态、液态和气态之间的转变。
在不同的温度和压力下，物质的分子或原子之间的排列和运动方式发生改变，从而导致相态的转变。
1. 固态到液态的相变称为熔化，液态到固态的相变称为凝固。
在熔化过程中，物质的分子或原子获得足够的能量，使得原本紧密排列的结构变得松散，从而形成液体。
而在凝固过程中，物质的分子或原子失去能量，重新排列成为有序的结晶体。
2. 液态到气态的相变称为汽化，气态到液态的相变称为液化。
在汽化过程中，物质的分子或原子获得足够的能量，使得它们的运动速度增加，克服了相互之间的吸引力，从而形成气体。
而在液化过程中，物质的分子或原子失去能量，运动速度减慢，重新聚集在一起形成液体。
3. 固态到气态的相变称为升华，气态到固态的相变称为凝华。
在升华过程中，物质的分子或原子直接从固态跳过液态，获得足够的能量，形成气体。
而在凝华过程中，气体分子或原子失去能量，直接从气态跳过液态，重新排列成为固体。
二、相图的基本概念与构成相图是用图形的方式描述物质在不同温度、压力等条件下的相变规律。
相图通常由坐标轴和相区组成。
1. 坐标轴：相图的横轴和纵轴通常分别表示温度和压力。
通过改变温度和压力的数值，可以观察到物质的相变行为。
2. 相区：相区是相图中不同相态所占据的区域。
常见的相区有固相区、液相区和气相区。
在相图中，不同相区之间存在相变的边界线，称为相界。
3. 相界：相界是相图中不同相区之间的分界线。
相界可以分为平衡相界和不平衡相界。
平衡相界表示相变过程达到平衡状态，而不平衡相界则表示相变过程不完全达到平衡状态。
三、相图的应用与意义相图是研究物质相变规律的重要工具，具有广泛的应用价值。
金属材料的相变与热力学分析
金属材料的相变与热力学分析金属材料是广泛应用于工业生产和日常生活中的重要材料之一。
在金属加工和利用过程中，了解金属材料的相变行为以及热力学特性对于改善材料性能和工艺效率至关重要。
本文将对金属材料的相变与热力学进行分析。
一、相变的概念及分类相变是指物质在一定条件下从一种相转变为另一种相的过程。
对于金属材料来说，常见的相变形式包括固-固相变、固-液相变、液-气相变等。
其中，固-固相变是指金属的晶体结构发生改变，而固-液相变是指金属由固态转变为液态，液-气相变则是指金属由液态转变为气态。
二、金属材料相变的热力学分析热力学是研究物质性质与热力学过程之间关系的学科。
金属材料的相变过程受热力学第一和第二定律的制约。
1. 热力学第一定律根据热力学第一定律，能量在相变过程中是守恒的，即相变前后系统的能量总和不变。
金属材料的相变过程中，吸收或释放的热量可以通过热力学分析来估计。
2. 热力学第二定律根据热力学第二定律，自发进行的相变过程是使系统熵增加的过程。
金属材料的相变过程中，热力学分析可以用来计算相变的熵变，从而评估相变的自发性和可逆性。
三、金属材料相变的影响因素金属材料的相变受多种因素的影响，包括温度、压力、化学成分等。
1. 温度温度是影响金属材料相变的重要因素。
随着温度的升高或降低，金属的相变温度也会相应地改变。
2. 压力在高压下，金属材料的相变温度可能会显著改变。
压力对金属的相变规律有一定的影响。
3. 化学成分金属材料的化学成分也会对其相变行为产生影响。
合金中的不同元素可能导致相变温度的改变和相变形式的差异。
四、金属材料相变的应用金属材料的相变特性可以广泛应用于材料工程和制造过程中。
1. 热处理通过控制金属材料的相变过程以及相变温度，可以实现对材料的硬度、强度和导电性等性能的调控，从而满足不同应用需求。
2. 材料制备相变过程对金属材料的制备有着重要的影响。
例如，通过调控相变过程可以制备出微观结构均匀的金属材料，提高其机械性能和腐蚀抗性。
[自然科学]第四章 材料的相变
![[自然科学]第四章 材料的相变](https://img.taocdn.com/s3/m/1e6f6ba39ec3d5bbfd0a74d5.png)
1＝ 2 1 2 P T P T 1 2 T P T P
(V 1 V 2 ) (-S 1 S 2 )
h
12
• 一级相变的结论：
在一级相变时，系统的化学势有连续变 化，而熵（S）和体积（V）却有不连续变
化。即相变时有相变潜热，并伴随有体积 改变。如图所示。晶体熔化、升华；液体
典型相变
h
10
• （1）按热力学条件分类 • 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相
变点的数学特征——连续或非连续，将相 变分为一级相变二级相变和高级相变。
• n级相变：在相变点系统的化学势的第（n1）阶导数保持连续，而其n阶导数不连续。
h
11
• （一）按热力学条件分类
（1）一级相变
特征：体系由一相变为另一相时，如两相的 化学势相等，但化学势的一级偏微商（一 级导数）不相等的相变称为一级相变，即：
h
4
• （2)相变的意义
• 对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能位 最低时，该相才是稳定的且处于平衡态；
• 若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与最低 自由能态具有能垒相分隔，则该相处于亚稳平衡 态；
• 若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种 状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳 态。
第四章 材料的相变
同济大学材料科学与工程学院 王德平 教授
h
1
4.1 相变的概念及其分类
• 4.1.1相变的基本概念
（1）相变的定义：
• 相变是随自由能变化而发生的相的结构的变化。
• 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。
• 狭义上讲：相变仅限于同组成的两相之间的结构变化。
h
相变知识点总结
相变知识点总结一、相变的基本概念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。
在常见的物质中，我们可以观察到凝固、熔化、汽化和凝结等相变现象。
从微观的角度来看，相变是由于物质微观结构发生改变所引起的。
在相变过程中，物质的分子和原子之间发生重新排列，从而导致了物质性质的改变。
1. 凝固：当物质从液态转变为固态时，称为凝固。
在凝固的过程中，物质的分子或原子重新排列成规则的晶体结构，形成了固体的状态。
例如，水在温度低于0℃时会凝固成冰。
2. 熔化：当物质从固态转变为液态时，称为熔化。
在熔化的过程中，物质的分子或原子逐渐失去有序排列，形成了液体的状态。
例如，冰在温度高于0℃时会熔化成水。
3. 蒸发：当物质从液态转变为气态时，称为蒸发。
在蒸发的过程中，液体表面的分子会获得足够的能量，从而克服表面吸附力，逸出液体表面成为气体。
例如，水在加热的过程中会发生蒸发。
4. 凝结：当物质从气态转变为液态时，称为凝结。
在凝结的过程中，气体中的分子会失去足够的能量，从而聚集在一起形成液滴。
例如，水蒸气在冷却的过程中会凝结成水滴。
二、相变的特点相变具有以下几个特点：1. 温度不变：在相变的过程中，物质的温度不发生变化。
这是因为相变过程中，吸收的热量用于克服分子间的相互作用力，而不是用于提高温度。
因此，相变过程中的温度保持不变。
2. 热量变化：相变过程中，物质吸收或释放的热量称为相变潜热。
相变潜热是使单位质量物质发生相变所需要的热量。
凝固和凝结过程中，物质释放热量；熔化和蒸发过程中，物质吸收热量。
3. 对外界压力的依赖性：相变的过程受外界压力的影响。
一般来说，增加外界压力会使物质的凝固点和熔化点升高，蒸发点和凝结点降低。
这是因为在高压下，分子活动受到限制，所以相变需要更高的温度或更低的温度才能发生。
三、相变的图像表示相变的过程可以用相变图来表示，相变图是表示物质在不同温度和压力条件下的各种物态之间的转变关系的图表。
物质的相变与热力学第二定律
物质的相变与热力学第二定律热力学是研究能量转化和传递的学科，相变是物质在一定条件下由一种相变为另一种相的过程。
本文将探讨物质的相变和热力学第二定律的相关性。
一、相变的概念及分类相变是物质由一种相变为另一种相的过程，常见的相变包括凝固、熔化、汽化和凝结。
凝固是物质由液态变为固态，熔化是物质由固态变为液态，汽化是物质由液态变为气态，凝结是物质由气态变为液态。
二、物质的相图和相变的条件相图是描述物质在不同温度和压力下存在的相的关系的图表，可以帮助我们理解物质的相变过程。
相变的条件一般包括温度和压力，不同物质的相变条件有所不同。
例如，水的三相点（0.01摄氏度，0.00603大气压）是固液气三种相平衡的点。
三、热力学第二定律的概念和表述热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它涉及到热能的转化和传递过程中的方向性。
热力学第二定律有多种表述方式，其中较为常见的表述是卡诺定理和熵增原理。
- 卡诺定理指出在可逆循环中，所有工作物质在相同的温度下与热源接触，从而达到最高效率。
- 熵增原理表明在孤立系统中，熵总是不断增加的。
孤立系统在接受热量的过程中，系统内部的无序度将增加，趋向于最大熵状态。
四、相变与热力学第二定律之间的关系物质的相变是一个能量转化和传递的过程，而热力学第二定律揭示了能量转化过程的方向性。
物质的相变符合热力学第二定律的要求。
在物质的相变过程中，热量会从高温物质传递到低温物质，使得整个系统达到热平衡。
根据熵增原理，熵在相变过程中一般是增加的，因为相变过程导致了系统内部的无序度增加。
这与热力学第二定律中熵增原理的表述是一致的。
此外，物质的相变过程也可以通过卡诺定理进行解释。
卡诺定理要求物质在相变过程中与热源接触的温度应相同，从而达到最高效率。
这与物质的相变过程中热量的传递方向是从高温到低温的一致。
综上所述，物质的相变与热力学第二定律有着密切的关系，相变过程遵循热力学第二定律的要求。
通过研究物质的相变现象，我们可以更好地理解热力学第二定律在能量转化和传递中的应用。
热力学中的相变与相
热力学中的相变与相热力学是研究能量转化和传递的科学，而相变是热力学中的重要概念之一。
相变指的是物质由一种相态转变为另一种相态的过程。
在不同的温度和压力条件下，物质的相态也会发生改变。
本文将讨论热力学中的相变现象以及相变对物质性质的影响。
一、相变的定义和分类相变是指物质由一种相态转变为另一种相态的过程。
相态是指物质在给定温度和压力下的物理状态。
熟知的相态一般有固体、液体和气体三种，而在更高温度和压力下还存在等离子体、玻璃态等其他形态。
相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变点上，物质的两种相态同时存在，而且其相应的热容量和体积有突变现象。
典型的一级相变包括水的冰点和沸点。
二级相变则是指在相变过程中物质的热容量和体积都是连续变化的，例如铁的铁磁相变。
二、相变的热力学特性相变是热力学研究的重要内容之一，其热力学特性可以通过相变热和相变潜热来描述。
1. 相变热相变热是指在相变过程中物质放出或吸收的热量。
对于一级相变，相变热通常为定值，例如冰的融化和水的沸腾时放出或吸收的热量。
而对于二级相变，相变热则随温度和压力的变化而变化。
2. 相变潜热相变潜热是指在相变过程中单位质量的物质所吸收或放出的热量。
相变潜热可以通过单位质量的物质在相变点上的焓变来计算，表示了单位质量物质从一种相态转变为另一种相态时所需要的能量。
三、相变对物质性质的影响相变对物质的性质具有重要影响，不仅在实际应用中具有广泛的意义，也在科学研究中有着深远的影响。
1. 导致物质性质的变化相变会导致物质的性质发生改变。
以水的相变为例，水在冰的相态下是固体，具有规则的晶体结构，而在液态下则是流动的液体。
固体和液体的物理性质存在显著差异，如密度、热导率等。
相变点附近的物质性质的变化也常常呈现出非常特殊的现象，例如热膨胀系数的极大值。
2. 技术应用相变的特性在现代科技中被广泛应用。
例如，相变储能材料可以在相变时吸收或释放大量的热量，用于无线传感器、智能建筑和电子设备的温控系统。
热力学中的相变现象
热力学中的相变现象热力学是研究能量转化和过程的科学，而相变现象则是热力学中的重要概念之一。
相变指的是物质由一种相态转变为另一种相态的过程，例如液化、固化和气化等。
在本文中，我们将探讨热力学中的相变现象及其背后的原理。
一、相变的定义与分类相变是物质在一定条件下由一种状态转变为另一种状态的过程。
根据物质的性质和转变的条件，相变可以分为凝固、熔化和汽化三种基本类型。
1. 凝固：凝固是指物质由液态转变为固态的过程。
当温度降低到某一点，液体中的分子或离子开始有序排列，形成固态结晶体。
2. 熔化：熔化是指物质由固态转变为液态的过程。
当温度升高到某一点，固体中的分子或离子离开有序排列，变得更加自由运动。
3. 汽化：汽化是指物质由液态转变为气态的过程。
当温度升高到某一点，液体中的分子或离子足够具有逃离液体表面的能量，形成气体状态。
二、相变的热力学原理热力学中的相变现象与物质的内能变化及熵变有关。
在一个封闭系统中，相变发生时，物质的内能会发生变化，而系统的熵也会发生变化。
1. 内能变化：在相变过程中，虽然温度保持不变，但是物质的内能却发生了变化。
这是因为相变过程中，分子间的相互作用和排列方式发生了改变，导致内能的变化。
2. 熵变：熵是衡量系统无序程度的物理量，相变过程中也会发生熵的变化。
例如凝固过程中，液体变为有序排列的固体，系统的熵会减小。
而汽化过程中，液体变为高度无序的气体，系统的熵会增加。
根据热力学第二定律，熵的增加趋势是不可逆的，即自发向高熵状态变化。
因此，相变过程也符合热力学第二定律的要求。
三、相变与相图相图是描述特定物质在不同温度和压力下各相态之间转变关系的图表。
在相图中，可以清晰地看到物质的相变点和相变曲线。
1. 相变点：相变点是指在一定的温度和压力下，物质由一种相态转变为另一种相态的临界条件。
例如水的相变点在常压下是0摄氏度（冰点）和100摄氏度（沸点）。
2. 相变曲线：相变曲线是用来表示不同相态之间转变的曲线。
相变的基本类型
热处理
通过热处理工艺，如淬火、回火等，可以调整金属凝固后的组织结构 和性能。
高分子材料加工过程中的结晶行为调控
温度控制
通过控制加工温度，可以影响高分子链的运动和 排列，从而调控结晶行为和晶体结构。
压力控制
施加适当的压力可以促进高分子链的紧密排列和 结晶，提高材料的密度和力学性能。
速率控制步骤
在相变过程中，速率最慢的步骤决定 了整个相变的速率。这个最慢步骤被 称为速率控制步骤，它对整个相变过 程的速率起决定性作用。
07 相变在材料科学和工程中 的应用
金属凝固过程中的组织控制
控制冷却速率
通过调整冷却速率，可以控制金属凝固过程中的晶粒大小和形态， 从而优化材料的力学性能。
引的力，使液体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小与液体的 性质和温度有关。
润湿现象
液体与固体接触时，液体在固体表面铺展的现象。润湿程度取决于液体的性质、固体的 表面能和液体与固体之间的相互作用力。当液体不能润湿固体时，会形成接触角，接触
角的大小反映了液体对固体的润湿性能。
铁磁-顺磁相变的特点
铁磁-顺磁相变伴随着磁化率、磁导率等磁学性质的变化，对材料 的磁性应用具有重要意义。
06 相变热力学和动力学基础
热力学第二定律及熵增加原理
热力学第二定律
描述了热量传递的方向性，即热量不可能自发地从低 温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
熵增加原理
在封闭系统中，自发过程总是朝着熵增加的方向进行 。熵是描述系统无序度的物理量，熵增加意味着系统 无序度增加。
凝固
物质从液态转变为固态的过程，通常 会释放热量，如水凝固成冰。
无机材料中相变的机理和物理性质
无机材料中相变的机理和物理性质无机材料是自然界中广泛存在的物质。
它们由许多类型和形式的原子、分子和化学基团组成，具有多种结构、物理性质和应用。
其中最重要的性质之一是相变，它体现了材料的物理性质和变化。
一、相变的概念和分类相变是物质的物理状态改变，因为一种物质的物理状态随着温度和压力的变化而改变所以相变和温度、压强是有关的。
常见的相变形式包括固态、液态和气态。
在固态材料中，还可以出现相变的形式有晶体相变、玻璃相变、磁相变和超导相变等。
在纯物质中，固液、液气和固气之间的相变通常是一条连续的直线，被称为相线，口干可以被描述为相图。
二、相变的机理相变的机理可以根据材料特性而分为不同的形式。
在材料学中，一个常见的相变形式是晶体相变。
晶体在物理上是由定向排列的原子和分子组成的，这种排列是以一定的周期性重复出现的。
它们的周期性成为晶格，而在相变过程中原子和分子的排列方式发生改变即原子的位置在晶格中发生变化。
当材料通过升温、降温或者受到其他物理形态的影响时，它的晶格结构也随之发生变化。
除了晶体相变之外，材料学家还研究了许多其他形式的相变。
例如，玻璃相变是由于材料中的分子或原子结构没有完全排列而引起的。
在材料受到一定的压力或力量时，这种结构发生变化，材料逐渐变得更加组织化。
其他相变形式包括磁相变和超导相变，这些相变形式与材料的磁性和电性特性有关，其机理也更为复杂。
三、物理性质无机材料相变的机理不仅与材料的物理结构和能量有关，还与材料的物理、化学性质有关。
相变时，材料的物理性质将发生显著变化。
例如，当弯曲的金属经过加热后冷却，金属的强度和硬度可能会增加。
相反，当某些液体材料在合适的温度下被冷却至固态时，它们的硬度和脆性会降低。
这一现象是因为相变中原子和分子之间的相互作用和能量传递的改变。
相变还可以影响材料的导电性，特别是在磁性和超导性相变中，这种影响尤为明显。
此外，在相变时材料的密度也可能发生变化，从而导致质量和体积的变化。
相变知识点总结
相变知识点总结相变是物质在特定条件下由一种状态转变为另一种状态的过程。
常见的相变包括固态与液态之间的熔化，液态与气态之间的汽化，以及固态与气态之间的升华。
在这篇文章中，我们将通过逐步思考的方式来总结相变的知识点。
1.定义和基本概念：相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程。
在相变过程中，物质的化学性质保持不变，但物质的物理性质会发生改变。
相变一般伴随着能量的吸收或释放，例如熔化过程中的吸热和凝固过程中的放热。
2.相变的分类：根据物质的状态，相变可以分为固态相变、液态相变和气态相变。
固态相变包括熔化（固态转液态）和升华（固态转气态）；液态相变包括汽化（液态转气态）和凝固（液态转固态）；气态相变包括凝结（气态转液态）和升华（气态转固态）。
3.相变的条件：相变发生的条件包括温度和压力。
不同的物质有不同的相变温度和相变压力，这是由物质分子之间的相互作用力决定的。
在相变温度和相变压力范围内，物质可以自由转变其状态。
4.热力学图：相变可以用热力学图来表示。
热力学图是以温度为横坐标，以压力为纵坐标，将不同状态下的物质表示出来。
在热力学图中，相变曲线代表了相变发生的温度和压力范围，相变点是相变曲线上的特殊点，代表了相变发生的临界条件。
5.相变的应用：相变在生活中有着广泛的应用。
例如，汽车冷却系统中的水在汽化时吸收热量，有效降低了发动机的温度；冷冻食品中的冰在融化时吸收热量，保持食品的新鲜等。
6.相变的意义和研究：相变的研究对于理解物质的性质和改进材料的性能具有重要意义。
通过研究相变，我们可以深入了解物质的分子结构和相互作用，并应用于材料科学、能源领域等。
总结：相变是物质在特定条件下由一种状态转变为另一种状态的过程。
相变可以分为固态相变、液态相变和气态相变，其发生的条件取决于温度和压力。
相变在生活中有着广泛的应用，并且对于物质性质的理解和材料性能的研究具有重要意义。
通过本文的思维步骤，我们能够对相变的基本概念、分类、条件、热力学图、应用和意义有一个初步的了解。
相变3
1
T
P
2
T
P
(-S1 S2 )
➢ 一级相变特点： 体积V，熵S，热 焓H发生突变；有 相变潜热，并伴 随有体积改变。
如： 固→液→气 、大多数晶型转变
2）二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的一阶偏导数 相等，而二阶偏导数不相等的相变。
即： 1＝2
S1＝S 2
1 2 (等压膨胀系数)
狭义的相变 广义的相变
相变的普遍性
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＋B C 亚稳分相 (Spinodal分相)
相变的普遍性
3、意义： 相变 → 结构变 → 性能变
应用：相变可以控制材料的结构和性质。
相变
第四章
主要内容：
1 相变的概念及分类 2 液-固相变过程热力学 3 液-固相变过程动力学
4
液-液相变过程
第一节 相变的概念及分类
❖ 一、基本概念 ❖ 1、相：物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。
在一定条件（温度、压力或特定的外场）下，物质将以一种与 外界条件相适应的聚集态或结构形式存在，这种形式就是相。
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 ΔGT.P = 0 ΔGT.P > 0
过程自发进行 过程自发达到平衡
过程不能自发进行
要满足过程自发进行，对T、P、C的要求？
1、相变过程的温度条件
等温等压条件下： G H TS
平衡时，有
若在任意一温度的不平衡条件下
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
材料中的相变
二、相变分类
1、按物态变化分类 狭义：同组成的两固相之间的结构变化，不涉及化学 反应（物理过程）。 广义：除上述情况之外，还包括相变前后相组成变化
的情况。
2、按热力学分类 A、按转变方向分
分为可逆和不可逆相变
B、按化学位偏导数的连续性分类 按照化学位对温度和压力的偏导函数在相变点的数学
特征——连续或非连续，将相变分为一级相变、二级相变
2
2 LX R GV
Gh V GV LX ALX r LX cos
16 G 3 GV
h
3 LX
2 cos 1 cos
4
h
2
2 (2 + cos q )(1 cos q ) 令： f (q ) = 4
G G f
引入接触角 cos
LS XS
LX
GS LX ALX r 2 LX cos
根据几何关系：
3 2 3 cos cos 2 V R 3
ALX 2 R 2 1 cos
r R sin
系统自由能的变化为： ΔGh= ΔGS+VΔGV
实例：量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。
依次类推，自由焓的n-1阶偏导连续，n阶偏导不连续 时称为高级相变。二级以上的相变称为高级相变，一般高 级相变很少，大多数相变为低级相变。
3、按结构变化及转变速度快慢分类 重构型:化学键被破坏，新相和母相在晶体学上没有明确
的位向关系——相变需要的能量高、速度慢
Ga 其中： K S N exp kT
0 S 0
0 ：接触固体单位面积的分子数 NS
相变和临界现象
相变和临界现象相变和临界现象是物理学中研究物质性质变化的重要课题。
相变是指物质由一种状态转变为另一种状态的过程，而临界现象则是在相变过程中出现的一系列非常特殊的物理现象。
这两个概念的研究对于我们理解物质性质的变化规律以及应用于各个领域都具有重要意义。
一、相变的基本概念和分类相变是物质从一个宏观状态转变为另一个宏观状态的过程。
常见的相变包括固体-液体相变（熔化）、液体-气体相变（汽化）和固体-气体相变（升华）等。
相变的发生与物质的温度、压力以及物质本身的性质有关。
例如，当温度升高达到某一临界点时，液体会发生汽化相变，从而转变为气体状态。
不同的相变过程具有独特的特性。
例如，在固体-液体相变中，物质的排列结构发生改变，晶体的有序性降低，密度增加；而在液体-气体相变中，分子之间的距离增加，自由度增大，形成气体。
二、临界现象及其特征临界现象是指在相变过程中，物质的性质发生突变，出现一系列特殊的物理现象。
临界现象的特征主要包括以下几个方面：1. 临界点：临界点即相变发生的临界温度和临界压力。
在临界点附近，物质的密度、粘度等性质会发生突变，呈现出非常特殊的状态。
2. 临界指数：临界指数是描述临界现象的重要参数。
它与物质的性质有关，可以用来描述物质在临界点附近的行为。
常见的临界指数包括热容指数、磁化率指数等。
3. 临界常数：临界常数是描述物质在临界点附近行为的重要参数。
它与物质的性质密切相关，可以用来表示物质在临界点处的状态。
4. 临界涨落：临界涨落是指在临界点附近，物质的性质会发生大幅度的波动。
这些波动可以影响物质的宏观性质，导致一系列特殊现象的出现。
三、应用领域及意义相变和临界现象的研究对于各个领域都具有重要意义。
以下列举几个典型的应用领域：1. 凝聚态物理学：相变和临界现象是凝聚态物理学的重要研究课题。
通过深入理解物质的相变规律，可以揭示物质的基本性质和行为，为新材料的设计与合成提供理论依据。
2. 材料科学与工程：相变和临界现象对材料的制备、加工以及性能具有重要影响。
相变
一.晶核形成过程动力学
均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的几
率处处是相同的。
非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、
器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程。
1.均匀成核：
I ni nk
Iυ—成核速率，指单位时间、单位体积中所生成的晶核数 目，单位为 晶核个数/秒· 厘米3 υ —单个原子或分子同临界晶核碰撞的频率 ni —临界晶核周界上的原子或分子数
(2 cos )(1 cos ) 2 f ( ) 1 4
愈小， Gk* 也愈小
非均匀成核比均匀成核的位垒低，析晶过程容易进行，
而润湿的非均匀成核又比不润湿的位垒更低，更易形成 晶核。
非均匀晶核形成速率为：
I S BS exp(
* Gk Gm
RT
)
二.晶体生长过程动力学
G k
所以△Gk减小，成核位垒下降，成核速率增大， 直至达到最大值。
②若温度继续下降，液相粘度增加，原子或分
1 T 2
子扩散速率下降，△Gm增大，使D因子剧烈下 降，致使Iν 降低。
Iν 与T的关系应是P和D因子的综合结果
2.非均匀成核：
非均匀成核位垒：
* Gk Gk f ( )
图8-8
单元系统相变过程图
返回
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； (3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有 外来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可 能在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
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11
马氏体相变的特征
(1)结晶学特征： 结晶学特征： 结晶学特征
相变后存在习性平面和晶面的定向关系。 相变后存在习性平面和晶面的定向关系。
R
从一个母晶体四方块（ ） 图8-4 从一个母晶体四方块（A） 形成一个马氏体（ ） 形成一个马氏体（B）的示意 图
12
(2)具有无扩散性的特征。 具有无扩散性的特征。 具有无扩散性的特征 (3)相变以很高的速度进行，有时高达声速。 相变以很高的速度进行，有时高达声速。 相变以很高的速度进行 (4)马氏体相变没有一个特定温度 ， 而是在一个温度范围内 马氏体相变没有一个特定温度， 马氏体相变没有一个特定温度 进行。 进行。
9
陶瓷材料相变综合分类概况： 陶瓷材料相变综合分类概况：
超导相变 磁性相变 二级相变 二级铁电相变 二级有序-无序相变 二级有序 无序相变 玻璃态相变 无扩散位移型相变 一级相变 点阵畸变 切变为主-马氏体相变 切变为主 马氏体相变 正应力为主-多晶相变 正应力为主 多晶相变 连续有序化 Spinodal分解 分解 析晶反应 包析反应 贝氏体相变
S
T
T V T
T0
图8-15
（2）二级相变： ）二级相变：
相变时如果两相的化学位相等， 相变时如果两相的化学位相等 ， 化学位的一阶导数也相等 但二阶导数不等的称为二级相变。 ，但二阶导数不等的称为二级相变。
( u1 u u u ) P = ( 2 ) P ; ( 1 )T = ( 2 )T T T P P
16
亚稳区的特点： 亚稳区的特点：
（1）亚稳区具有不平衡状态的特征，物相理论上在该区 ）亚稳区具有不平衡状态的特征，
域内不能稳定存在，而实际上却能以介稳态存在的区域； 域内不能稳定存在，而实际上却能以介稳态存在的区域； （ 2） 在亚稳区内 ， 新相不能自发地产生 ， 要形成新相必 ） 在亚稳区内， 新相不能自发地产生， 须越过亚稳区，这就是过冷却的原因； 须越过亚稳区，这就是过冷却的原因； （3）在亚稳区内，新相不能自发形成，但当有杂质存在 ）在亚稳区内，新相不能自发形成， 或外界条件的影响，也可能在亚稳区形成新相， 或外界条件的影响，也可能在亚稳区形成新相，此时亚 稳区被缩小。 稳区被缩小。
二．相变的分类
从相的状态分：l-g，l-s，g-s，l-l，s-s； 从相的状态分： 从机理分：成核-生长 生长， 分解， 从机理分：成核 生长，Spinodale分解，马氏体相 分解 有序-无序相变 无序相变； 变，有序 无序相变； 常见的分类方法：按热力学分类、按相变方式分类、 常见的分类方法：按热力学分类、按相变方式分类、 按相变时质点迁移情况分类等。 按相变时质点迁移情况分类等。
C
G
1相 2相
T
S
T V T
T0
T
T0
图8-2 二级相变时两相的自 由能、 由能、熵及体积的变化
8
图8-3 在二级相变中热容的变化
2．按相变方式分类 ． 长大型相变——由程度较大，范围较小的浓度起伏 由程度较大， （1）成核 长大型相变 ）成核-长大型相变 由程度较大 开始发生相变，并形成新相核心； 开始发生相变，并形成新相核心； 由程度较小， （2）连续型相变 ）连续型相变——由程度较小，范围较大的浓度起伏连续 由程度较小 地长大，形成新相（ 分解） 地长大，形成新相（如Spinodal分解）； 分解 3．按质点迁移特征分类 ． 扩散型相变：相变靠质点的扩散进行。 扩散型相变：相变靠质点的扩散进行。 无扩散型相变： 无扩散型相变 ： 主要是低温下进行的金属的同素异构转变及 一些合金的马氏体转变。 一些合金的马氏体转变。
(
2u T 2
) P = (
S C )P = P T T
∴ ( C P ) 1 ≠ ( C P ) （比热容不等） 2
(
2u P 2
)T = (
V V V )T = ( )T = β V P P V V 1 ) T 为恒温压缩系数） P V
∴ β 1 ≠ β 2 （ β = (
2u V V V ( )T = ( )p = ( )P = α V TP T T V ∴ α 1 ≠ α 2 （ α = ( 1 V ) P 为恒压热膨胀系数） T V
第八章 相变
§8-1 相变的概念与分类 §8-2 液-固相变过程热力学 固相变过程热力学 §8-3 液-固相变过程动力学 固相变过程动力学 §8-4 液-液相变过程 液相变过程
1
§8-1 相变的概念与分类
一．概念
相变——物质从一个相转变为另一个相的过程。 物质从一个相转变为另一个相的过程。 相变 物质从一个相转变为另一个相的过程
7
二级相变的特点： 二级相变的特点：
相变时无热效应，无体积效应， 相变时无热效应，无体积效应，熵（S） ） 和体积（ ）连续变化，不发生突变。 和体积（V）连续变化，不发生突变。 但两相的恒压热容， 恒温压缩系数， 但两相的恒压热容 ， 恒温压缩系数 ， 恒压热膨胀系数不相等（ 恒压热膨胀系数不相等 （ 在相变点发 生突变） 生突变）。
（1）若相变过程放热，则H<0，要使 ）若相变过程放热， ，要使G<0，则T>0，即 ， ， T<T0，表明系统必须过冷却，相变过程才能自发进行； 表明系统必须过冷却，相变过程才能自发进行； （2）若相变过程吸热，则H>0，要使 ）若相变过程吸热， ，要使G<0，则T<0，即 ， ， T>T0，表明系统必须过热。 表明系统必须过热。 结论：在恒压条件下，相平衡理论温度与实际温度之差（ 结论：在恒压条件下，相平衡理论温度与实际温度之差（ 过 冷度或过热度） 推动力。 冷度或过热度）即为相变过程的 推动力。
14
§8-2 液-固相变过程热力学 固相变过程热力学
一．相变过程的不平衡状态及亚稳区 平衡状态：从热力学平衡观点看，将系统冷却到相变温度， 平衡状态：从热力学平衡观点看，将系统冷却到相变温度， 则会发生相变而形成新相。 则会发生相变而形成新相。 T A B
气 相
C O D E P’ P
15
亚稳 区 液 相
x
Mf
Ms
T
马氏体转变程度x与温度 与温度T的关系 图8-6 马氏体转变程度 与温度 的关系
13
（2）有序 无序转变 ）有序-无序转变
有序-无序转变 有序 无序转变——随温度升降而出现低温有序和高 无序转变 随温度升降而出现低温有序和高 温无序的可逆转变过程称为有序-无序转变 无序转变。 温无序的可逆转变过程称为有序 无序转变 。 引入 有序参数ξ表征材料中有序与无序的程度 表征材料中有序与无序的程度。 有序参数 表征材料中有序与无序的程度。
10
陶瓷相变
铁电相变 有序-无序相变 有序 无序相变
点阵不畸变
连续相变 扩散型相变
成核-长大型相变 成核 长大型相变
三、简单介绍马氏体相变与有序-无序转变 简单介绍马氏体相变与有序 无序转变 1、马氏体相变 、 马氏体（ 马氏体 （ martensite） ——钢淬火时得到的一种 ） 钢淬火时得到的一种 高硬度产物的名称。 高硬度产物的名称。 马氏体相变——晶体在外力的作用下， 通过晶体 晶体在外力的作用下， 马氏体相变 晶体在外力的作用下 的一个分立体积的剪切作用以极快的速度进行 的相变称为马氏体相变。 的相变称为马氏体相变。 马氏体相变是固态相变的基本形式之一。 马氏体相变是固态相变的基本形式之一。 在许多 金属、固溶体和化合物中都可观察到。 金属、固溶体和化合物中都可观察到。
固 相
图8-8 单元系统相变过程图
不平衡状态： 不平衡状态： 亚稳区——在理论上应发生相变而实际上不能发生相转变 在理论上应发生相变而实际上不能发生相转变 亚稳区 的区域称为亚稳区。 图中阴影区 图中阴影区) 的区域称为亚稳区。(图中阴影区 在亚稳区内，旧相未消失，以亚稳态存在；新相不稳定， 在亚稳区内，旧相未消失，以亚稳态存在；新相不稳定， 还未形成。 还未形成。 原因：新相开始形成时，颗粒尺寸很小， 原因：新相开始形成时，颗粒尺寸很小，在较高的蒸气 压或溶解度下重新蒸发和溶解，而不能稳定存在。 压或溶解度下重新蒸发和溶解，而不能稳定存在。
T0——相变的平衡温度； 相变的平衡温度； 相变的平衡温度 H——相变热。 相变热。 相变热
T0 T H T G = H T = H = H T0 T0 T0
T=T0-T， ， 称为过冷度。 称为过冷度。
18
讨论：相变过程要自发进行，必须 讨论：相变过程要自发进行，必须G<0，则: ，
H T ＜0 T0
3
1．按热力学分类 ．
（1）一级相变： ）一级相变： 相变时两相的化学位相等但化学位的一阶导数不相等的 称为一级相变。 称为一级相变。
( u β u β u α u )p ≠ ( ) p ; ( α )T ≠ ( )T T T P P u u )P = S;( )T = V T P
∵(
此时称为一 级相变。 级相变。
∴ S α ≠ S β ;V α ≠ V β
又 ∵ ( )T , P , H = TS VP = TS = T ( Sα Sβ ) ≠ 0 ∴ QP ≠ 0(有热效应）
4
G
1相 2相
一级相变的特点： 一级相变的特点 ： 相变时有热效 并且熵（ ） 和体积（ ） 应 ， 并且熵 （ S） 和体积 （ V） 不 连续变化，发生突变。 连续变化，发生突变。 自然界的大多数相变为一级相变。 自然界的大多数相变为一级相变。 晶体的熔化、升华； 如：晶体的熔化、升华； 液体的凝固、汽化； 液体的凝固、汽化； 晶体中大多数晶型转变等。 晶体中大多数晶型转变等。
19
2．恒温下的压力和浓度条件 ．
对于理想气体： 对于理想气体： G = VdP =
∫
∫
P RT dP = RT ln 2 P P 1