材料热力学与动力学
调变纳米材料合成的热力学和动力学
调变纳米材料合成的热力学和动力学
调变纳米材料合成的热力学和动力学是一个复杂的过程，涉及多个步骤和因素。
以下是对这一过程的概述：
1. 热力学：热力学主要关注的是反应的平衡状态和趋势，通过研究反应过程中的能量转化和物质变化，可以确定反应的可能性和限度。
在纳米材料合成中，热力学研究可以帮助我们了解反应的驱动力和反应条件，从而预测和控制反应结果。
例如，通过改变反应温度、压力等条件，可以影响反应平衡和产物性质。
2. 动力学：动力学则关注反应速率和反应机制，即反应的快慢和反应过程。
通过研究反应速率常数、活化能等参数，可以了解反应的速率和进程。
在纳米材料合成中，动力学研究可以帮助我们控制反应过程，例如通过控制反应温度和浓度，调节反应速率，实现定向合成。
同时，动力学研究还可以揭示反应过程中的关键步骤和影响因素，为优化合成条件提供指导。
3. 调变纳米材料合成：通过调变热力学和动力学的条件，可以实现纳米材料的合成与性质调控。
具体来说，可以通过改变反应温度、压力、浓度、pH
值等条件，控制纳米颗粒的形成与生长过程。
同时，还可以利用表面活性剂、模板等方法，实现对纳米材料形貌和结构的调控。
通过这些方法，可以合成出具有特定性质和应用价值的纳米材料。
总之，调变纳米材料合成的热力学和动力学是一个复杂而重要的过程。
通过深入研究和掌握这一过程，可以发现新的合成方法和条件，为纳米科技的发展和应用提供更多可能性。
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.
浙江大学材料热力学与动力学精品文档
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_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.
动力学研究在材料科学中的应用
动力学研究在材料科学中的应用动力学研究是科学研究过程中的一个重要领域，它涉及到对物体运动和相互作用的研究。
在材料科学领域中，动力学研究对于理解材料的行为和性能起着关键作用。
本文将介绍动力学研究在材料科学中的应用，并探讨其对于材料设计和开发的影响。
一、热力学和动力学的关系热力学和动力学是两个密切相关的概念，它们共同构成了材料科学的基础。
热力学研究物质的热平衡状态和热力学性质，而动力学研究物质的运动和变化规律。
两者相辅相成，互相影响。
在材料科学中，动力学研究可以揭示材料在不同热力学条件下的行为，从而为材料设计和应用提供指导。
二、动力学研究在相变材料中的应用相变是材料中常见的现象，它涉及到材料的结构和性质的变化。
动力学研究可以帮助我们理解相变的机制，并提供预测和控制相变过程的方法。
例如，对于形状记忆合金材料，动力学研究可以揭示其相变行为和形状记忆效应的原理，从而为其在机械领域的应用提供支持。
三、动力学研究在材料合成中的应用材料的合成是材料科学的关键环节之一。
通过动力学研究，可以了解材料合成过程中的物质转化和反应动力学规律。
这对于优化合成工艺、提高材料品质具有重要意义。
动力学研究可以通过实验和模拟方法，揭示物质转化的速率以及反应条件对合成产物的影响，从而指导合成过程的改进和优化。
四、动力学研究在材料性能评估中的应用材料的性能评估是材料科学的重要研究内容之一。
通过动力学研究，可以揭示材料性能与微观结构之间的关系，从而指导材料设计和改进。
例如，通过动力学研究，可以探索材料的力学性能、导电性能、热传导性能等与材料微观结构的相关性，为材料性能评估提供科学依据。
五、动力学研究在材料应力和变形行为中的应用材料在外部力作用下的应力和变形行为是材料科学的重要研究内容。
动力学研究可以揭示材料的应力分布和变形行为，进而为材料设计和强度分析提供理论基础。
通过动力学模拟和实验测量，可以研究材料的力学响应、疲劳行为、断裂行为等，从而为材料的应用和设计提供可靠性保障。
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：
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。
【材料成型原理--铸造】第3章 液态金属凝固热力学与动力学
全被原子占满，或几乎全是空位，微观上是光滑平整 的，称平整界面。
非金属及化合物大多数属于这种结构。
26/33
27/33
• （3）注意： 粗糙界面在显微尺度上是平滑界面（也称非小晶
面）； 平整界面在显微尺度上是不光滑的，由小晶面组
• （3）非平衡凝固：不仅大范围内溶质的扩散不充分， 即使固液界面附近溶质原子也不能充分扩散，凝固界面 上溶质的迁移远离平衡状态，称非平衡凝固。如快速凝 固、激光重熔等，冷速可达106℃/s以上。
9/33
第二节 均质形核
生核方式：（1）均质形核； （2）非均质形核（异质形核）。
• 1、概念 均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发地形核。
v3 K 3TK2
K3为动力学常数。
33/33
• 2）旋转孪晶生长 孪晶旋转一定角度后产生台
阶，原子向台阶处Байду номын сангаас砌而侧向生长。 容易产生于层状结构的晶体中，如， 灰铸铁中的石墨。
• 3）反射孪晶生长 由反射孪晶构成的凹角为台阶，
原子向凹角处堆砌生长。
34/33
• （4）各晶体生长方式生长速率的比较 • 1）连续生长速度最快。粗糙界面相当于大量台阶； • 2）螺旋生长其次； • 3）当△T很大时，三者生长速率趋于一致。
为零时，驱动力不存在，凝固不会发生。
结论：液态金属不会在没有过冷度情况下结晶。
5/33
二、液态金属的凝固过程
相变动力学理论： 高能态的液态原子变成低 能态的固态原子，必须越 过能态更高的高能态△GA 区。只有液态金属中那些 具有较高能态的原子（被 激活的原子）才能越过高 能态的界面变成固体中的 原子，完成凝固。
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.
材料热力学与动力学复习题答案word版本
材料热力学与动力学复习题答案一、常压时纯Al 的密度为ρ=2.7g/cm 3，熔点T m =660.28℃，熔化时体积增加5%。
用理查得规则和克-克方程估计一下，当压力增加1Gpa 时其熔点大约是多少？ 解：由理查德规则RTm Hm R Tm Hm Sm ≈∆⇒≈∆=∆ …①由克-克方程VT H dT dP ∆∆=…② 温度变化对ΔH m 影响较小，可以忽略，①代入②得 V T H dT dP ∆∆=dT T1V Tm R dp V T Tm R ∆≈⇒∆≈…③ 对③积分 dT T1V T Tm R p d T Tm Tm pp p ⎰⎰∆+∆+∆= 整理 ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆=∆Tm T 1ln V Tm R p V T R V Tm R Tm T ∆∆=∆⨯∆≈ Al 的摩尔体积 V m =m/ρ=10cm 3=1×10-5m 3Al 体积增加 ΔV=5%V m =0.05×10-5m 3K 14.60314.810510R V p T 79=⨯⨯=∆∆=∆- Tm’=Tm+T ∆=660.28+273.15+60.14=993.57K二、热力学平衡包含哪些内容，如何判断热力学平衡。
内容：（1）热平衡，体系的各部分温度相等；（2）质平衡：体系与环境所含有的质量不变；（3）力平衡：体系各部分所受的力平衡，即在不考虑重力的前提下，体系内部各处所受的压力相等；（4）化学平衡：体系的组成不随时间而改变。
热力学平衡的判据：（1）熵判据：由熵的定义知dS Q T δ≥不可逆可逆对于孤立体系，有0Q =δ，因此有dS 可逆不可逆0≥，由于可逆过程由无限多个平衡态组成，因此对于孤立体系有dS 可逆不可逆0≥，对于封闭体系，可将体系和环境一并作为整个孤立体系来考虑熵的变化，即平衡自发环境体系总0S S S ≥∆+∆=∆ （2）自由能判据 若当体系不作非体积功时，在等温等容下，有()0d ,≤V T F 平衡状态自发过程上式表明，体系在等温等容不作非体积功时，任其自然，自发变化总是向自由能减小的方向进行，直至自由能减小到最低值，体系达到平衡为止。
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005相变热力学与动力学2
4 4 V r 3 ( t ) 3 3 3
所以新相总体积
4 dV 3t 3 I vVa dt 3
相变开始阶段ห้องสมุดไป่ตู้
V V
4 dV 3t 3 I vV dt 3
所以
将V作为１，经过t时间产生新相的 体积分数为x, dx=dVß：
4 t x I v 3t 3dt 3 0
对于曲面晶界，R可由下式求得
P
8R 4R 2
2 R
1 1 1 1 ( ) R 2 R1 R2
R1,R2为曲面晶界的最大及最小半径
上式表明，由界面能提供的作用于单位面积晶界的驱动 力与界面能成正比，与界面曲率半径成反比，力的方向 指向曲率中心。对于平直界面， R 驱动力为零。 在三个不同的晶粒交点处（如A点)，为保持界 面张力平衡，即保持三个交角均为1200，晶界必将 凸向大晶粒一方，出现曲面晶界，在驱动力作用下， 小晶粒中原子越过界面向大晶粒迁移。
2 3 DV C a ( ) r 3 r03 t kt 2 RT
r 0 为粗化开始时颗粒的平均半径；r 为经过t时间粗化后颗粒的平均半径
3
3
考虑颗粒尺寸分布，Wagner公式： 2 9 DV C a ( ) 3 3
r r0 8 RT
t
五、晶粒长大 1.晶粒正常长大：在界面曲率驱动力下，晶粒发生均匀 长大的过程。 母相全部转变成新相后，还将通过晶界的迁移发 生晶粒的粗化。推动晶界迁移的驱动力来自界面能的 降低。50nm晶粒系统晶界能为104J/m3。
根据Gibbs-Thomson方程
Ca (r ) 2VB ln Ca () RTr
《材料热力学与动力学》课程教学大纲.doc
《材料热力学与动力学》课程教学大纲课程代码：0802305133课稈名称：材料热力学与动力学英文名称：Thermodaynamics and kinetics of materials总学时：72 讲课学时：64 实验学时：8 上机学时：0课外学时：10学分：4.5适用对象：材料工程专业四年制木科二年级阶段先修课程：高等数学、大学物理、无机化学一、课程性质、目的和任务材料热力学与动力学是材料科学的重要专业基础课。
它从材料的物理、化学现象及其联系入手，运用物理的理论和实验方法来研究材料的物理、化学行为的原理、规律和方法的学科，二、教学基本要求（黑体，小4号字）材料热力学目的在于让学生理解热力学基础并把这些原理结合材料加以应用，在此基础上，熟悉相图热力学和相变热力学，了解相图计算的原理和应用。
材料动力学的任务在于具体地描述材料制备和使用过稈屮的微观机制、转变途径、转变速率及一些物理参量对它们的影响。
木课程的目的与任务是通过木门课程的学习，要求学生掌握材料热力学、动力学和材料电化学、材料表血性质等基木概念、基本理论及计算方法，培养他们运用所学理论知识去解决实际问题的能力，并为后继专业课稈如化工原理、仪器分析及实验、化工热力学等提供更直接的理论基础，起着承上启下的枢纽作用。
三、教学内容及要求（黑体，小4号字）本课稈总72学时，其屮授课计划64学时（总结复习8学时），授课学时分配如下：基本要求分三级：A级一掌握，B级一理解，C级一了解。
第1章绪论与气体性质（2学时）1、物理化学的研究内容、方法和学习目的（C）2、理想气体状态方稈和混合气体的性质（A）第2章热力学第一定律（12学时）1、热力学基本概念（C）2、热力学第一定律（B）3、恒容热、恒压热、焙（A）4、盖斯定律（A）5、热容（B）6、可逆过程和可逆体积功（B）7、节流膨胀（C）8、热力学第一定律在理想气体简单过稈屮的应用（A）9、热力学第一定律在相变屮的应用（A）10、反应焙（B）第3章热力学第二定律（14学时）1、卡诺循环（C）2、热力学第二定律（B）3、爛（B）4、爛变的计算（A）5、热力学第三定律（B）6、亥姆霍兹函数和吉布斯函数（B）7、亥姆霍兹函数变和吉布斯函数变的计算（A）8、热力学基木方程（A）9、克拉佩龙方程（A）10、麦克斯韦关系式（C）第4章多组分系统热力学（7学时）1 ＞纟H成表示法（C）2、偏摩尔量（B）3、化学势（B）4、理想气体的化学势（B）5、拉乌尔定律和享利定律（A）6、理想液态混合物（C）7、理想稀溶液（C）8、稀溶液的依数性（C）9、逸度及逸度因了（C）10、活度及活度因了（C）第5章化学平衡（4学时）1、化学反应的方向和限度（C）2、化学反应等温方程（C）3、标准平衡常数（A）4、标准摩尔反应吉布斯函数变的计算（B）5、温度对标准平衡常数的影响（A）6、影响平衡的因素分析（A）第6章相平衡（7学时）1、相律（B）2、杠杆规则（A）3、单纽.分体系相图（A）4、二组分理想液态混合物的气•液平衡相图（A）5、二组分真实液态混合物的气■液平衡相图（A）6、二纽.分部分互溶或完全不互溶体系的气•液平衡相图（A）7、二组分固态不互溶体系的液■固相图（A）8、二组分固态互溶体系的液•固相图（A）9、生成化合物的二组分液■固相图（A）10、三组分体系相图（C）第7章化学动力学（8学时）1、化学反应速度（B）2、化学反应的速率方程（C）3、速率方程的积分形式（A）4、速率方程的确定（C）5、温度对速率常数的影响（A）6、活化能（B）7、典型复合反应（C）8、链反应动力学（C）9、反应速度理论（C）10、溶液屮反应动力学（C）11、多相反应（C）12、光化学反应（C）13、催化作用（C）第X章电化学（8学时）1、电解质溶液导电机理和法拉第定律（C）2、离子迁移数（C）3、电导率和摩尔电导率（B）4、电解质的平均离了活度及平均活度系数（B）5、可逆电池（C）6、原电池热力学（A）7、电极电势（A）8、电极分类（C）9、分解电压（C）10、极化作用（C）第9章表血面现彖（6学时）1、表血吉布斯函数和表面张力（B）2、弯曲液血的附加压力及其后果（C）3、固体表面（C）4、液.固界血（C）5、溶液表面（C）笫10章胶体化学（4学时）1、胶体简介（C）2、胶体体系的制备（C）3、胶体的光学性质（C）4、胶体的动力学性质（C）5、胶体的电学性质（A）6、溶胶的稳定与聚沉（B）7、悬浮液和乳状液（C）四、实践环节课堂讲授时注意结合工程实践开展讨论，加深对有关规律的认识。
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）
材料中的热力学与动力学12-1
{k is in [moles/(liter sec)]}
0
������ = −������������ + ������
II) First Order Reactions A → products
������ ������ − = k ������ ������������ ������ = ������ 0 ������ −������������
II) Analyzing the data A) Reactions with one reactant: A → products
a) Plot or analyze
[A] vs. t ln[A] vs. t 1/[A] vs. t … and find which gives a straight line.
take [A]0 << [B]0 , [C]0 e.g. flood system with B and C
Then [B] ~ [B]0 and [C] ~ [C]0
So that Where
������ ������ − ������������
≈ ������ ′ ������
������ 0
������0 ′ ������0 ������0 ′ ������0 ������0 ′ ������0 ������0 ′ ������0
=1
⇒ ������ = 1
= 2 ⇒ ������ = 1/2 =2 =4 ⇒ ������ = 1 ⇒ ������ = 2
etc… b) Flooding or Isolation (goal is to try to make problem look like a onereactant system)
材料热力学与动力学复习资料+课后习题
材料热力学与动力学（复习资料）一、 概念•热力学基本概念和基本定律1. 热0：一切互为热平衡的物体，具有相同的温度。
2. 热1： - 焓：恒压体系→吸收的热量=焓的增加→焓变等于等压热效应 - 变化的可能性→过程的方向；限度→平衡3. 热2：任何不受外界影响体系总是单向地趋向平衡状态→熵+自发过程+可逆过程→隔绝体系的熵值在平衡时为最大→熵增原理（隔离体系）→Gibbs 自由能：dG<0，自发进行（同T ，p ： ）4. 热3：- (H.W.Nernst ，1906)： - (M ．Plank ，1912)：假定在绝对零度时，任何纯物质凝聚态的熵值为零S*(0K)=0 - (Lewis ，Gibson ，1920)：对于过冷溶体或内部运动未达平衡的纯物质，即使在0K 时，其熵值也不等于零，而是存在所谓的“残余熵” - Final ：在OK 时任何纯物质的完美晶体的熵值等于零• 单组元材料热力学1. 纯金属固态相变的体积效应- 除非特殊理由，所有纯金属加热固态相变都是由密排结构（fcc ）向疏排结构（bcc ）的转变→加热过程发生的相变要引起体积的膨胀→BCC 结构相在高温将变得比其他典型金属结构（如FCC 和HCP 结构）更稳定（除了Fe ）- 热力学解释1→G ：温度相同时，疏排结构的熵大于密排结构；疏排结构的焓大于密排结构→低温：H ；高温：TS - 热力学解释2→ Maxwell 方程： - α-Fe →γ-Fe ：磁性转变自由能- Richard 规则：熔化熵-Trouton 规则：蒸发熵 （估算熔沸点）2. 晶体中平衡状态下的热空位- 实际金属晶体中空位随着温度升高浓度增加，大多数常用金属（Cu 、Al 、Pb 、W 、Ag …）在接近熔点时，其空位平衡浓度约为10-4；把高温时金属中存在的平衡空位通过淬火固定下来，形成过饱和空位状态，对金属中的许多物理过程（例如扩散、时效、回复、位错攀移等）产生重要影响3. 晶体的热容- Dulong-Petit ：线性谐振动子+能量均分定律→适应于较高温度及室温附近，低温时与实验不符U Q W∆=-dH PV U d Q =+=)(δRd Q S Tδ=()d dH TdS G H d TS =--=00lim()lim()0p T T T GS T→→∂∆-=∆=∂()()V T T P V V S ∂∂=∂∂//()()()T T T V P V V S T V H ∂∂+∂∂=∂∂///RK mol J T H S mm m ≈⋅≈∆=∆/3.8/K mol J T H S b v v ⋅≈∆=∆/9.87/3V V VQ dU C RdT dT δ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭-Einstein(固体振动热容理论)：晶体总共吸收了n 个声子，被分配到3N 个谐振子中；不适用于极低温度，无法说明在极低温度时定容热容的实验值与绝对温度的3次方成比例。
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研究材料内部结构与性能变化规律的重要学科，它涉及了材料的热力学性质和动力学过程。
热力学是研究物质能量转化和物质间相互作用的科学，而动力学则是研究物质内部结构和性能变化的规律。
本文将从热力学和动力学两个方面，介绍材料热力学与动力学的基本概念和相关知识。
首先，我们来介绍材料热力学的基本概念。
材料的热力学性质是指材料在不同温度、压力和化学环境下的物理性质和化学性质。
热力学研究的主要内容包括热力学平衡、热力学过程和热力学函数等。
热力学平衡是指系统内各部分之间达到平衡状态，不再发生宏观变化的状态。
热力学过程是指系统在外界作用下发生的能量和物质交换过程。
热力学函数是描述系统热力学性质的函数，如内能、焓、熵等。
通过研究材料的热力学性质，可以揭示材料的稳定性、相变规律和热力学过程等重要信息。
其次，我们来介绍材料动力学的基本概念。
材料的动力学是指材料内部结构和性能随时间、温度和应力变化的规律。
动力学研究的主要内容包括材料的弹性和塑性行为、断裂和疲劳行为、相变动力学等。
弹性是指材料在受力后能够恢复原状的性质，而塑性是指材料在受力后会发生永久形变的性质。
断裂是指材料在受到外部力作用下发生破裂的现象，疲劳是指材料在受到交变载荷作用下发生疲劳破坏的现象。
相变动力学是指材料在温度或压力变化下发生相变的规律。
通过研究材料的动力学性质，可以揭示材料的强度、韧性、疲劳寿命和相变动力学等重要信息。
综上所述，材料热力学与动力学是研究材料内部结构与性能变化规律的重要学科，它涉及了材料的热力学性质和动力学过程。
通过研究材料的热力学性质和动力学性质，可以揭示材料的稳定性、相变规律、强度、韧性、疲劳寿命等重要信息，为材料设计、制备和应用提供科学依据。
希望本文能够帮助读者更好地了解材料热力学与动力学的基本概念和相关知识，促进材料科学的发展和应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《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。
由于体系的状态都是利用体系的宏观物理性质来描述的，所以又称为体系的宏观状态。
其中体系的任一性质发生了变化均意味着体系状态的变化。
因此这些性质又称为体系的状态变数。
由于体系各性质之间彼此相互联系、相互制约，只有部分性质是独立的，在某一状态下，其他的性质可以表示成各独立性质的函数，即存在相当于数学上的自变量与因变量的关系，因此称这些可以用独立性质通过函数关系表示出来的体系性质为状态函数。
也就是说，状态函数是一些具有相对独立性的性质函数的体系性质。
4、过程与途径体系从始态向终态过渡称为过程，或者说体系体系发生的任何变化为过程。
完成过程的具体历程（步骤）称为途径。
途径可由若干过程组合而成。
由一定始态到达一定终态的过程，可以经过不同的途径，但是状态函数的改变值是相同的。
因为状态一定时，状态函数只有一个确定的数值，状态函数的改变不随具体途径不同而变化。
二、材料热力学基础知识1、热力学第一定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。
热力学第一定律就是能量守恒定律，或者说是热力学范畴内的能量守恒定律。
所谓能量守恒与转化定律即“自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，能从一种形式转化为另一种形式，在转换中，能量的总量不变。
”首先考虑在绝热过程中能量的传递和转化。
从逻辑上说，在绝热过程的定义可以不涉及热的概念：一个过程，其中物体状态的变化完全是由于机械的或电的直接作用的结果，而没有受到其他影响，称为绝热过程。
绝热过程中，体系状态的变化完全是由于体系对环境做功，或者是环境对体系做功所引起的。
从1840年开始，在长达二十多年的期间内，焦耳做了一系列实验，水盛在由绝热壁构成的容器内，重物下降带动叶片在水中搅动，水温受叶片搅动而升高。
如果把水和叶片看作体系，其温度的升高完全是电源做功的结果。
这两个绝热过程的实验结果表明，使同量之水升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的。
焦耳反覆进行的大量实验都说明：无论以任何一种方式使一个绝热体系自一定的始态变到一定的终态，所需之功都是相等的。
换言之，“绝热功之多少只为体系始终态所决定，而与途径（做功方式）无关。
”这说法可算是第一定律的一种特殊形式。
状态函数的改变只为体系始终态所决定，而与变化途径无关。
绝热功与“状态函数的改变量”性质相同。
因此可以用绝热过程中外界对体系所做的功W 定义一个状态函数U 。
在终态B 与始态A 之差W U U U A B =∆=- （1-13）称状态函数U 为内能。
外界对体系做功，W 为正，体系内能增加；体系对环境做功，W 为负，体系内能减小。
不做功的绝热体系为孤立系统，由式 （1-13）得孤立体系中所进行的任何过程，U ∆0=，即“孤立体系内能不变”，这也是第一定律的一种表述，孤立体系中内能是守恒的。
经验表明，在不做功的情况下，当体系与温度不同的另一物体相接触时，体系的状态亦会发生变化，其内能自然也会变化。
“在不做功的情况下，封闭系统内能的改变称之为热”，这可作为热的定义。
A B U U U Q W -=∆==,0 (1-14)热是不同于功的体系与环境交换能量的另一种形式。
体系吸热，Q 为正，体系内能增大；体系放热，Q 为负，体系内能减小。
一物体吸热，必有另一物体放热，反之亦然。
过程中，体系既吸热Q ，环境对体系又做功W 。
那么体系内能之改变为W Q U +=∆ (1-15)对微小变化过程，写成dW dQ dU += (1-16)式(1-15)和(1-16)是热力学第一定律的数学表达式。
第一定律可表述为：“体系在过程中内能之改变等于在过程中体系吸收的热加上外界对体系所做的功。
”应当强调，内能是状态函数，是体系的容量性质。
当体系的初态A 和终态B 给定后，内能的改变就是确定值，与体系从A 到B 过程所经历的途径无关。
dU 是内能函数的全微分。
内能是指体系内部的能量，包括分子运动的平均能、转动能、振动能、电子及核的能量，以及分子与分子之间相互作用的位能等。
除内能外，体系还可以有整体运动的动能，在外立场中的位能。
化学热力学中，通常是研究宏观静止的物体，无整体运动，并且一般没有特殊的外力场存在（电磁场、离心立场等），因此无须考虑体系整体运动的动能和在外力场中的位能。
还需注意，式(1-15)和(1-16)中的初态和终态应是平衡状态，而过程所经历的中间状态则可是不平衡的。
式(1-15)和(1-16)只给出体系内能在过程中的改变量，至于体系内能的绝对数值，热力学是无法确定的。
功和热不是状态函数，不是体系的性质，是与过程有关的物理量。
功和热是体系与环境交换能量的两种不同方式，功是宏观方式，与广义位移相联系；热是微观方式，是由于温度的不同，而在体系与环境间所交换的能量。
W 和Q 不能进行微分，dW 和dQ 不是全微分，它们分别代表微量的功和微量的热。
设体系由状态A 经历两个不同的过程Ⅰ和Ⅱ到达状态B ，过程Ⅰ的功和热是W 1和Q 1,过程Ⅱ的功和热是W2和Q2，一般地说，W 1≠W2，Q 1≠Q2，但W 1+Q 1=W2+Q2。
热力学第一定律是人类长期实践的经验总结，十八世纪资本主义发展时代，人们在生产斗争中幻想制造一种机器，能不断地自动做功，而不需任何动力或燃料或他种供给品。
后来人们把这种假想的机器称作第一类永动机。
在这种幻想指导下，曾经有许多人提出了多种多样的所谓永动机的设计，但所有这些设计在实践中都失败了。
在1775年巴黎科学院宣布了不接受关于永动机的任何发明，这说明当时在科学界已经认识到制造永动机的企图是徒劳无功的。
但是最后确立第一定律，还是在自1840年开始的焦耳和迈耶的热功当量的实验之后。
大量实验所得到的结果都是一致的，说明热和功之间有一定的转换关系，这为能量守恒原理提供了科学的实验数据。
以后经过精确实验的测定知道1cal=4.184(焦耳）。
到1850年，科学界已经公认能量守恒是自然界的规律了。
热力学第一定律因此还可表述为：“第一类永动机是不可能造成的。
”2、热力学第二定律（1）概述①热量总是从高温物体传到低温物体，但不能不带有其他的变化，把热量从低温物体传到高温物体。
②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把获得的热量转变为功。
系统吸热系统对外做净功=η 1211Q Q Q Q A -==121T T -= (2）说明①热力学第二定律是热力学的基本定律之一。
它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。
上述（1）中①的讲法是克劳修斯在1850年提出的。
②的讲法是开尔文于1851年提出的。
这些表述都是等效的。
在①的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体专转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。
要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。
在②的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易饿变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。
热机能连续不断地将热变成机械功，一定伴随有热量的损失。
第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。
②人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。
它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。
有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低0.25度，放出的热量，将能变成一千万亿度的电能，足够全世界使用一千年。
但只用海洋作为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此想要制造出热效率的百分之百的热机是绝对不可能的。
③从分子运动论的观点看，做功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。
显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则运动变成无规则运动的几率大。
一个不受外界影响的孤立系统，其内部的自发过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行的，从此可见热是不可能自发地变成功的。
④热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。
而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。
⑤根据热力学第零定律，确定了态函数---温度；根据热力学第一定律，确定了态函数---内能和焓；根据热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数---熵。
第二定律指出在自然界中，任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数来描述这个差异，从理论上可以进一步说明：S=可逆绝热过程if SS>不可逆绝热过程if S式中f S和i S分别为系统的最终和最初的熵。