材料热力学与动力学1
三-金属固态相变热力学和动力学
2、晶核形状
假设形成的新相晶核为球形：
ΔG
4 3
πr 3 ΔGV
4πr 2σ
4 3
πr3ε
对于 r 求导：
d (G) 0 dr
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
临界晶核尺寸
临界晶核的 形核功
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
1、当表面能σ和弹性应变能ε增大时，临界晶 核半径rc增大，形核功W 增高。
2、具有低界面能和高弹性应变能的共格新相 核胚，倾向于呈盘状或片状；
3、而具有高界面能和低弹性应变能的非共格 新相核胚，则易成等轴状。
4、但若新相核胚界面能的异向性很大（对母 相晶面敏感）时，后者也可呈片状或针状。
3、温度与临界形核半径及形核功
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
1、临界晶核半径和形核功都是自由能差的 函数，因此，它们也将随过冷度（过热度） 而变化。
切变机制
阶梯界面：
面间位错分布在阶梯界面
上，位错的滑移运动使阶梯跨
过界面侧向迁移，而使界面朝
其法线方向发展，从而使新相
长大。
α
β
台阶式长大
2、非共格界面的迁移
新相晶核与母相之间呈非共格界面， 界面处原子排列紊乱，形成不规则排 列的过渡薄层。
这种界面上原子的移动不是协同的， 即无一定先后顺序，相对位移距离不 等，其相邻关系也可能变化。这种界 面可在任何位置接受原子或输出原子， 随母相原子不断向新相转移，界面本 身便沿其法向推进，从而使新相逐渐 长大。
Gold new Gnew Gold Gold new 0
必须产生一定的过冷度或过热 度，即：
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.
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。
电化学第2讲热力学与动力学(1)
▪ 电解池：将电能转化为化学能的电化学体系 叫电解电池或电解池；
▪ 腐蚀电池：只能导致金属材料破坏而不能对 外界做有用功的短路原电池。
腐蚀电池
▪ 腐蚀电池：只能导致 金属材料破坏而不能 对外作功的短路的原 电池。
▪ 电池反应所释放的化 学能以热能的形式耗 散，电池反应不能生 成有价值的物质。
▪ 由此可见，电池的热力学可逆过程是一种理想过程。 在实际工作中，只能达到近似的可逆过程。所以， 严格地讲，实际使用的电池都是不可逆的，可逆电 池只是在一定条件下的特殊状态。
▪ 这也正反映了热力学的局限性。
原电池电动势
▪定义：原电池短路时的端电压（即两电极相 对电位差）。
E
注意：只有可逆电池有E，电池不可逆时只能 测到V。
电池反应 平衡常数
Zn Cu2 Cu Zn2
▪ 因为 G nFE
▪ 所以
nFE RT ln K RT ln a a Cu Zn2 a a Zn Cu 2
E RT ln K RT ln a a Cu Zn2
nF
nF a a Zn Cu 2
▪ 当参加电池反应的物质处于标准状态时，有：
原电池区别于普通氧化还原反应的基本特 征就是能通过电池反应将化学反应转变为电能， 所以它是一种能量转换的电化学装置。 如：
Zn ZnSO4 Zn2 1 CuSO4 Cu2 1 Cu
电池的可逆性
化学热力学是反映平衡状态规律的。必须首先区 别电池的反应过程是可逆的还是不可逆的。电池进行 可逆变化，必须具备以下两个条件：
Ag∣AgCl(s), Cl-(a1)‖Cl-(a2), Hg2Cl2(s)∣Hg(l)
第三章金属凝固热力学与动力学
GV 4 3 GV G V A LC r 4 r 2 LC VS 3 VS GV H T / Tm
临界形核半径
2 LC 2 LCTm r GV H T
SL Sc Lc cos
球冠状晶核的体积V冠为
V冠 (r sin ) d (r r cos )
0
2
r3
3
(2 3cos cos 3 )
晶核与液相的接触面积SLc为
SLC 2 r sin (rd ) 2 r 2 (1 cos )
。
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。 形核率I：
GA G I C exp( ) exp( ) KT KT 3 16 LC Tm 2 GA I C exp( ) exp( ( ) ) KT 3KT H T
*
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。
粗糙界面与光滑
界面是在原子尺
度上的界面差别，
注意要与凝固过
程中固－液界面 形态差别相区别， 后者尺度在μ m 数量级。
2.影响因素
如何判断凝固界面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一 晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子 位置有NA个原子（
x→0或1处（晶体表面位置
已被占满）。有机物及无 机物属此类； =2～5的物质，常为多种 方式的混合，Bi、Si、Sb
锂电池的动力学和热力学
锂电池的动力学和热力学
锂电池是一种常见的充电式电池，广泛应用于移动设备、电动车辆和可再生能源储存等领域。
它的工作涉及动力学和热力学两个方面。
动力学：
在锂电池中，动力学关注电池中的电荷和离子在电极之间的传输速率以及电池的性能特征。
主要的动力学过程包括：
1.电化学反应速率：锂电池的工作涉及锂离子在正负极材料之间的传输，这涉及到电化学反应速率的控制。
反应速率决定了电池充放电的效率和性能。
2.离子扩散：锂离子在电解液中扩散，从一个电极传输到另一个电极。
扩散速率受电解液浓度、电极孔隙度等因素影响。
3.电荷传输：电池内部的电荷传输速率对电池性能至关重要。
电极和电解液之间的电荷传输速率受电极材料性质、电解液浓度等因素影响。
热力学：
在锂电池中，热力学关注电池内部的能量转化、热量生成以及反应的稳定性。
主要的热力学过程包括：
1.电池电势：电池电势是一个衡量电池能量转化的指标，涉及正负极之间的电位差。
正负极之间的电势差越大，电池的电能储存能力越高。
2.放电和充电过程的能量变化：锂电池在充电和放电过程中，能
量在化学反应中进行转化。
这涉及到电池的开路电势、工作电压等参数。
3.热效应：锂电池充放电过程中会伴随热量的生成或吸收。
热效应对电池的性能和安全性都有重要影响，因此需要进行热管理。
总之，锂电池的动力学和热力学都是决定其性能和稳定性的重要因素。
科学家和工程师通过研究这些过程来优化锂电池的设计、性能和使用寿命。
热力学和动力学理论的研究与应用
热力学和动力学理论的研究与应用热力学和动力学理论是物理学中的两个重要分支，它们的研究和应用对于我们理解自然现象及开发新技术起着至关重要的作用。
热力学是研究热能转换规律和热现象的学科，它研究物质内部的热现象、热力学热力学性质、热力学连续性等。
热力学中的三大定律（热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律）揭示了自然界中一些普遍存在的规律性，这些规律性与我们的日常生活息息相关。
动力学则是研究物体在不同力下的运动和形变规律的学科，它对动态系统的研究提供了基础。
动力学中研究的力与物体运动之间的关系，可以解释和预测很多自然现象，包括天体运动、电磁场的运动、声波等等。
热力学和动力学理论都有广泛的应用，这些应用涉及多个领域，包括能源、环境、材料科学等。
以下将从几个应用领域来详细介绍它们的应用。
首先是能源领域。
热力学是工程领域中最为基础的学科之一，其在能源转化领域的应用广泛。
例如，汽车发动机、火力发电厂以及核反应堆等能源设备大量运用了热力学理论。
电池的设计和优化也需要热力学的知识。
热力学的应用对于实现能源的高效利用以及环境保护具有重要意义。
其次是环境领域。
热力学和动力学理论在环境保护与恢复工作中也发挥了重要作用。
通过热力学和动力学的研究，我们可以对环境中的污染物的扩散和降解规律有更深入的了解，从而制定出更为科学的污染物处理方案。
例如，在生态系统的保护中，需要考虑各环节之间的相互作用；在污染治理中，则需要研究物质的扩散与转化，以及对环境的影响是何种程度等问题。
再者是材料科学领域。
热力学和动力学理论在材料科学领域也有重要应用，帮助我们更好地了解材料中各种量的变化与关系。
其中热力学的热力学性质及其在材料的相变过程和稳定性研究中起着重要作用。
而动力学的力学性质在纳米材料的研发中显得尤为重要。
总体而言，热力学和动力学理论是许多重要物理机制和自然现象的基础，它们的研究和应用对于我们理解自然界及开拓新的技术造福人类尤为重要。
【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。
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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。
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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
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)
材料热力学和动力学答案
Gibbs-Thomson effect:1.The Gibbs–Thomson Effect, in common physics usage, refers to variations in vaporpressure or chemical potential across a curved surface or interface. The existence of a positive interfacial energy will increase the energy required to form small particles with high curvature, and these particles will exhibit an increased vapor pressure.See Ostwald–Freundlich equation.2.More specifically, the Gibbs–Thomson effect refers to the observation that small crystalsare in equilibrium with their liquid melt at a lower temperature than large crystals. In cases of confined geometry, such as liquids contained within porous media, this leads to a depression in the freezing point / melting point that is inversely proportional to the pore size, as given by the Gibbs–Thomson equation.Why at a relatively lower temperature solute transport tends to become more effective via grain boundary than through the lattice or through dislocation? Please have an example material to clear.（为什么在一个相对较低的温度，溶质趋向于通过晶界的运输比晶格和位错运输更有效？请举一种材料作为例子详述）答：在多晶体中的扩散除了再晶粒点阵内部进行之外，还会沿表面、晶界、位错等缺陷部位进行。
材料热力学与动力学动力学部分复习
3、速率方程的积分形式
A：一级反应 反应速率与反应物浓度一次方成正比的反应称一级反应(first order reaction)。如： AB
dc A kcA dt
dcA c A k dt
dc A kcA dt
t dc A k dt C A,0 c 0 A CA
2、化学反应的速率方程 表示反应速率与参加反应的各种物质浓度及影响反应的各种因 素之间的关系，也称为化学反应的动力学方程。 元反应：
aA bB lL mM
V ∝ caAcbB 或 V=KcaAcbB
（质量作用定律） 反应速率
K：反应速率常数(rate constant of reaction)或反应比速。 K 物理意义：各反应物质皆为单位浓度时的反应速率。 影响K值因素：反应类型、温度、溶剂、催化剂等。
（1）计算此反应的活化能？ （2）欲使A在10min内转化率达到90%，反应温 度应控制在多少？
二、相变过程动力学
1、形核率 单位时间单位体积母相中形成的新相晶核数，用 I表示 （1）均匀形核
G * Q I B exp( ) exp( ) kT kT
(2)成核速率随温度变化的关系
2 3 T 64 1 * * m G As 3 (H m ) 2 (T ) 2 3
c
A,0
dy kdt yc B,0 y
或
c A,0
dy 1 d y kdt c B,0 c B,0 y c A,0 y
由t = 0到t = t积分上式，得
c A0
c B,0 c A,0 y 1 ln kt c B,0 c A,0 c B,0 y
活化能Ea： 为了能发生化学反应，普通分子（具有平均能量的分子）必须吸 收足够能量先变成活化分子 ，在此变化过程中所要吸收的最小
第一章 热力学定律
§2.4 焓
2.4.2 △H与Qp Qp : 恒压，非体积功为零(dp=0, dW‘=0)的过程中， 系统与环境交换的热。 恒压过程: dp=0，p环=p；W' = 0时 W = -∫p环dV = -p环(V2-V1)= -(p2V2-p1V1) 据热力学第一定律： Qp = △U - W = (U2-U1) + (p2V2 - p1V1) = ( U2 + p2V2 ) - ( U1 + p1V1 ) = △ H
W>0 对系统作功 22
W<0 对环境作功
§2.3 准静态过程与可逆过程
2.3.1 准静态过程与可逆过程 （1） 准静态过程（guasi-static process）
在过程进行的每一瞬间，系统都接近于平衡状态，以致在任意选取 的短时间 dt 内，状态参量在整个系统的各部分都有确定的值，整个过 程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成，这种过程称为准静态 过程。 准静态过程是一种理想过程，实际上是办不到的。 一个过程的发生必定引起状态的改变而状态改变一定破坏平衡。 但当一个过程进行得非常慢，速度趋于零时，这个过程就趋于准静态 过程。
（3）相平衡（phase equilibrium）多相共存时，各相的组成和数量 不随时间而改变 （4）化学平衡（chemical equilibrium ）反应系统中各物的数量不 再随时间而改变
8
§2.1 热力学基本概念
2.1.2 状态和状态函数 状态：系统的物理，化学性质的综合表现; 状态性质：系统处于某一状态时的性质，是系统本身 所属的宏观物理量。 如：T，p, ，V，m， U，H，S…
特殊形式，说明热力学能、热和功之间可以相互转化，但总的能量不 变。 也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的 热力学第一定律是人类经验的总结，事实证明违背该定律的实 验都将以失败告终，这足以证明该定律的正确性。
最新《材料热力学与动力学》复习题
最新《材料热力学与动力学》复习题最新《材料热力学与动力学》复习题篇一：《材料热力学与动力学》复习题一、常压时纯Al的密度为= 2.7 g/cm3，熔点Tm = 660.28 C，熔化时体积增加5%。
用理查德规则和克劳修斯-克拉佩龙方程估计一下，当压力增加等1 GPa时其熔点大约是多少。
二、热力学平衡包含哪些内容，如何判断热力学平衡？三、试比较理想熔体模型与规则熔体模型的异同点。
四、固溶体的亚规则溶体模型中，自由能表示为Gmxi0GiRTxilnxiEGmii其中过剩自由能表示为EGmxAxBLAB(xAxB)实际测得某相中0LAB和1LAB，请分别给出组元A和B的化学位表达式五、向Fe中加入形成元素会使区缩小，但无论加入什么元素也不能使两相区缩小到0.6 at%以内，请说明原因。
六、今有Fe-18Cr-9Ni和Ni80-Cr20两种合金，设其中含碳量为0.1wt%，求T=1273C时碳在这两种合金中活度。
七、假如白口铁中含有3.96%C及2.2%Si，计算在900C时发生石墨化的驱动力，以铸铁分别处于+渗碳体两相状态与+石墨两相状态时碳的活度差来表示此驱动力。
由于Si不进入Fe3C中，所以有KSiCem/= 0。
在Fe-C二元合金中，已知900C时+渗碳体两相状态碳的活度为二aC= 1.04；当与石墨平衡时aC= 1。
八、通过相图如何计算溶体的热力学量如熔化热、组元活度。
九、请说明相图要满足那些基本原理和规则。
十、请说明表面张力产生的原因？十一、已知温度为608 K时，Bi的表面张力为371 mJ/m2，Sn 的表面张力为560 mJ/m2，Bi的摩尔原子面积为6.95104 m2/mol，Sn的摩尔原子面积为6.00104 m2/mol。
试Bi-Sn二元合金的表面张力。
十二、以二元合金为例，分析析出相表面张力对相变的影响。
十三、请解释钢中淬火马氏体低温回火时为什么先析出亚稳化合物而不是稳定的渗碳体(Fe3C)十四、通过原子的热运动，分析影响扩散系数的因素。
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。
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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。
热力学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.
1.1.6. 热力学方法-Classical Thermodynamics
经典热力学方法属于宏观方法 经典热力学：以大量粒子组成的宏观系统作为研究对象，以经 验概括出的热力学第一、第二定律为理论基础，引出或定义了 热力学能、焓、熵、亥姆霍茨函数、吉布斯函数，再加上p,V,T 这些可由实验直接测定的宏观量作为系统的宏观性质，利用这 些宏观性质，经过归纳与演绎推理，得到一系列热力学公式或 结论，用以解决物质变化过程的能量平衡、相平衡和反应平衡 等问题。 特点：不涉及物质系统内部粒子的微观结构，只涉及物质系统 变化前后状态的宏观性质。 实践证明，这种宏观的热力学方法是十分可靠的，它导出的结 论有高度的可靠性和广泛的普遍性。至今未发现过实践中与热 力学理论所得结论相反的情况。
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 will never be overthrown within the framework of applicability of its basic concepts. A. Einste 理论的推理前提越简单，它所联系的不同事物越多，它的应 用范围越广泛，则这个理论给人的印象就越深刻。因此．经 典热力学……是具有普遍内容的唯一的物理理论。在它的基 本概念适用的范围内，它绝不会被推翻。 爱因斯坦．1949
1.1.6. 热力学方法
Thermodynamics is divided into two main subjects: Classical Thermodynamics： macroscopic and Phenomenalogical Statistical Mechanics： microscopic and based on the quantum behavior of the constituent atoms of the material
热力学的主要基础是热力学第一定律及第二定律，它们是人类 长期实践的经验总结。 热力学具有一定的普适性，它的概念和方法可以应用于一切科 学（物理学、化学、生物学）与工程领域，甚至宇宙学和社会 科学(包括宗教)。代表性的有工程热力学、化学热力学（物理化 学）以及材料热力学等。
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.
1.2 材料热力学和材料科学
材料热力学：From the〝energy〞point of view to discuss the equilibrium of matter。 热力学定律在材料问题中的应用，用来研究材料中相 的稳定性、相变的方向以及计算相变的驱动能量等。
1.2.1 材料科学与工程 1.2.2 材料的制备、结构、性能与能量的关系 1.2.3 材料热力学的形成和发展 1.2.4 材料热力学的研究目的和研究对象 1.2.5 材料热力学研究的重要性
1.2.2 材料热力学的形成和发展
1876年GibbS相律的出现: 经典热力学的一个重要的里程碑。刚 刚开始不久的材料组织的研究．便有了最基本的理论指导。
1899年H. Roozeboom把相律应用到了多组元系统．把理解物 质内可能存在的各种相及其平衡关系提升到了理性阶段。
1900年，Roberts-Austen通过实验构建了Fe-Fe3C相图的最初 的合理形式，使钢铁材料的研究一开始就有理论支撑。 20世纪初G. Tamman等通过实验建立了大量金属系相图．有力 地推动了合金材料的开发，被认为是那个时代材料研究的主流 基础性工作。 稍后出现的经验性溶体理论和20世纪30年代W. L.Brragg和E. J. Williams利用统计方法建立的自由能理论，使热力学的分析研究 有可能与对材料结构的有序性等微观认识结合起来；意义十分 巨大。
1.1.6.热力学方法-Statistical Thermodynamics
统计热力学研究的对象：与经典热力学研究的对象一样，都是 由大量粒子组成的宏观系统。 经典热力学: 是从宏观系统的一些可由实验直接测定的宏观性质 p,V,T等出发，得到另一些宏观性质(热力学能、焓、熵、亥姆霍 茨函数、吉布斯函数等)。 是从宏观到宏观的方法。 统计热力学: 从组成系统的微观粒子的性质(如质量、大小、振动 频率、转动惯量等)出发，通过求统计概率的方法，定义出系统 的正则配分函数或粒子的配分函数，并把它作为一个桥梁与系 统的宏观热力学性质联系起来。 从体系的具体结构去计算热力学函数。 统计热力学方法是从微观到宏观的方法，它补充了经典热力 学方法的不足，填平了宏观和微观之间难以逾越的鸿沟。
1.1.4. 热力学分类
三类： 平衡态热力学(可逆过程热力学、经典热力学) 统计热力学 非平衡态热力学（线性、非线性非平衡）
经典热力学研究的对象是平衡态，面对许多 自然现象和社会现象的非平衡态，它显得有 些不足，所以对非平衡态热力学的研究就尤 为重要．
1.1.5. 热力学的普适性
热力学的主要长处正在于它的抽象性和演绎性； 现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统 计热力学的支撑和帮助。 材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一 材料科学和材料热力学 材料科学的进步拉动材料热力学的发展； 材料热力学的发展又在为材料科学的进一步发展准备基础和条 件。
一种观点： 平衡态热力学(体系的热力学力和流均为0)重 新命名为“热静力学（Thermostatics）
非平衡态热力学(涉及体系的热力学力和流)才 是名副其实的“热力学（Thermodynamics） －Kinetics
1.1.2 Kinetics
热力学（Thermodynamics） : 研究过程的可 能性。 动力学（Kinetics）: 过程变化速率和变化机理， 即过程的现实性。 任何一个体系，热力学、动力学和物质结构 三方面不是彼此孤立而是密切联系的。 动力学比热力学要复杂的多，许多领域未开 发，研究也极活跃。
第三个阶段：19世纪70年末到20世纪初 这个时间内，首先由波尔兹曼将热力学与分子动力学 的理论结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提 出非平衡态的理论基础，至20世纪初吉布斯(Gibbs) 提出系统理论建立统计力学的基础。 第四个阶段：20世纪30年代到今 主要是量子力学的引进而建立了量子统计力学，同时 非平衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论与实 验物理学中最重要的一环。
热力学发展史
热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史， 约可分成四个阶段： 第一个阶段：17世纪末到19世纪中叶 此时期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出蒸气机，对 于“热(Heat)”的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立作 好了热身。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论 (第二定律的前身)和功热互换的原理(第一定律的基础)。这一阶 段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学 算式。 第二个阶段：19世纪中到19世纪70年代末 此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化。由于功热 互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律和卡诺理论的结 合，导致热力学第二定律的成熟。
1.1.1 The Definition of Thermodynamics
Thermodynamics: The word “thermodynamics” comes from the two Greek words, “thermos”, meaning heat, and “dynamics” meaning power. This definition reflects the history of thermodynamics as early work in the field was associated with the development and study of steam engines. This definition unfortunately doesn’t really tell us much about the subject, nor does it convey that thermodynamics is one of the most basic sciences with applications in all fields of engineering and science.
1.1.3. 热力学发展史
一门科学的历史，是那门科学中最宝贵的一 部分，科学只能给我们知识，而历史却给我 们智慧。(启示科学研究方法，培养创新思维 能力) 人类很早就对热有所认识，并加以应用。但 是将热力学当成一门科学且有定量的研究， 则是由17世纪末开始的，就是在温度计的制 造技术成熟以后，才真正开启了对热力学的 研究。