相变
相变的名词解释
相变的名词解释相变是物质在一定条件下由一种物态转变为另一种物态的过程，是物质内部结构和性质发生显著变化的现象。
相变是物质的基本特性之一，广泛存在于自然界和人类生活中。
本文将从科学、日常应用和未来发展等角度对相变进行解释和探讨。
一、科学解释科学界对相变的解释主要基于热力学原理。
在热力学中，物质的相变可以通过研究压力、温度和物质的性质等参数来理解和描述。
相变可以分为凝固、融化、汽化、凝聚等不同的类型。
首先，凝固是指物质由液体态变为固体态的相变过程。
当物质受到足够低的温度影响时，它的分子迅速减慢运动，在不同的环境下出现晶体结构的形成。
其次，融化是指物质由固体态变为液体态的相变过程。
当物质受到足够高的温度影响时，分子的振动增加，逐渐摆脱原子间的相互作用力，凝聚态结构瓦解。
另外，汽化是指物质由液体态变为气体态的相变过程。
当物质受到足够高的温度影响时，分子的动能增加，克服表面张力，逸出到气态。
最后，凝聚是指物质由气体态变为液体态的相变过程。
与汽化相反，当物质受到足够低的温度影响时，分子逐渐失去动能，凝结成液体。
二、日常应用相变的现象在日常生活中有着广泛的应用。
其中，最常见的就是冰的融化和汽化现象。
当夏天气温升高时，冰块会逐渐融化成水。
这是因为太阳光的热量使冰分子动能增加，逐渐克服冰的结构力，从而融化成液体。
另外，煮水时水的汽化现象也是相变的一个例子。
当水受热温度升高时，分子的动能增加，逐渐克服水的结构力，从而转变为水蒸气。
相变的应用还有许多其他领域，如制冷技术。
在制冷设备中，物质的相变过程被用于吸收热量，从而实现空调和冰箱等设备的制冷功能。
此外，相变储能技术也是一项应用前景广阔的技术。
通过利用物质在相变过程中吸收或释放大量热量的特性，可以实现储能功能，为能源行业提供可靠的储能解决方案。
三、未来发展相变的研究领域在科学界中仍然是一个充满挑战和机遇的领域。
随着科技的进步，相变材料的研究逐渐受到重视。
相变材料是指具有特殊相变能力的物质，可以在外界刺激下发生相变，从而实现一些特定的功能。
8-1相变
有序—无序转变 四, 有序 无序转变
19
图8—4
20
4) 相变前后无成分变化; 原子的配位不变. ) 相变前后无成分变化; 原子的配位不变. 5)马氏体相变速度极快,高达声速 )马氏体相变速度极快, 无相变热,相变激活能小,转变速度快, 无相变热,相变激活能小,转变速度快,以近似于 声波传播的速度进行,比裂纹扩展速度大2～ 倍 声波传播的速度进行,比裂纹扩展速度大 ～3倍. 相 变伴随有体积变化------高温相向低温相转化引起体积 变伴随有体积变化 高温相向低温相转化引起体积 膨胀. 膨胀. 7)马氏体相变没有一个特定的温度,而是在一个温度 )马氏体相变没有一个特定的温度, 范围内进行的. 范围内进行的. 相变具有可逆性,并受外界因素(温度,应力等) 相变具有可逆性,并受外界因素(温度,应力等) 的影响,相变发生于一个温度区间内,而不是一个特 的影响,相变发生于一个温度区间内, 定的温度点. 定的温度点.
即: 1= 2
2 = Vβ P T
2
U = Vα TP
2
S1=S 2
V1=V2
α 1 ≠ α 2 (等压膨胀系数 )
β 1 ≠ β 2(等温压缩系数 )
C p1 ≠ C p2 (热容量 )
所以二级相变时, 系统的化学位, 体积, 熵无突变, 所以二级相变时 , 系统的化学位 , 体积 , 熵无突变 , 但
-黄铜的无序-有序固溶体
体心立方结构
Zn
第八章相变
18
马氏体相变的特征：
马氏体相变的重要结晶学特征是相变后存在习性平面和 晶面的定向关系。
其中A1B1C1D1A2B2C2D2由母相 奥氏体转变为 A2B2C2D2-
A1B1C1D 1马
氏体。
A2B2C2D2和A1B1C1D 1 二个平面在相变前后保持既不扭曲变形也
不旋转的状态，这两个把母相奥氏体和转变相马氏体之间连接起来
的平面称为习性平面。马氏体是沿母相的习性平面生长并与奥氏体
母相保持一定的取向关系。
19
• 伴随马氏体相变的宏观变形－浮凸效应 • 在马氏体相变中，除体积变化之外，在转变区域中产
生形状改变。在发生变形时，在宏观范围内，习性平面 不畸变，不转动。表现为PQR’S’连续共格。同时，QR’ 不弯曲，马氏体片表面仍保持平面。 • 但是，习性平面位向是具有一定分散度的。在微观范围 内产物相变形是不均匀的，表现为马氏体中有微细孪晶 或很高的位错密度。 • 检查马氏体相变的重要结晶学特征是相变后存在习性平 面和晶面的定向关系。
26
立方相ZrO2－MgO陶瓷中析出的透镜状四方相
27
3.共晶与共析转变
• 共晶转变是液相在低共熔温度以下同时析出两 个或两个以上晶相的转变，是一种液固相变。 以二元系统为例，共晶反应为：
L
• 共析转变类似于共晶反应，其中二个固体相以 相互协作的方式从母相(母相为固相)中形成长 大，其反应可以用下式表示：
20
马氏体相变的另一特征是它的无扩散性。
马氏体相变是点阵有规律的重组，其中原子并不调换位置，而只 变更其相对位置，其相对位移不超过原子间距。
马氏体相变往往以很高的速度进行，有时高达声速。
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
A m(v2 v1 ) p
循环的效率：
A m(v2 v1 ) p (v2 v1 ) p Q1 ml l
由卡诺定理：
T T T (v2 v1 ) p 1 T T l
Clapeyron equation
dp l T 0 ，得 dT T (v2 v1 )
(相变过程也就是物质结构发生突然变化的过程.)
相变：不同相之间的相互转变称为相变。比如凝固。
例： 一种物质 一种物质 一种物质
固态 液态 固态
液态：固液相变， 气态：液气相变， 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 超导体( 超导相变)
正常导体
液氦：
氦I
氦II(超流相变)
单元系：含有一种化学成分的系统。 多元系：是含有两种或两种以上化学组分的系统。比如酒
四
气液两相图
以P－T图表示气液两相存在的区域 p 比P－V图方便。 两相平衡共存的区域在P－T图中对 应着一条曲线OK，称为汽化曲线。 汽化曲线的左方表示液相存在的区 域，右方表示气相存在的区域，曲 线上的点就是两相平衡共存的区域。 汽化曲线是液态和气态的分界线。 表示气液两相存在区域的P－T图称 为气液两相图。 临界点K：汽化曲线的终点。K点以 上不存在两相平衡共存的状态。始 点O以下气相只能与固相平衡共存。
精和水的混合物是二元系。
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。
例如：
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。
相变
物理学上，把物质的状态称为“物相”，如物质处于固态称之为“固相”，处于液态称之为“液相”，处于气态称之为“气相”。
“相变”也就是物质状态的改变，如0℃时冰化成水，是“固——液相变”，100℃时水变成水蒸气，是“液——气相变”。
相变有个特点，就是相变过程中物质需要吸收或放出大量的热量，但其温度保持不变，直到相变完成才会受热升温或散热降温。
因为相变时物质的温度不发生改变，所以其吸收或放出的热量我们称之为“潜热”。
而物质不发生相变时，会因受热而升温，这时物质所吸收的热量称之为“显热”。
例如我们烧水，当低于100℃时，水温会不断提高，这时水吸收的热量就是显热；当温度达到100℃时，水会沸腾（即相变发生了），这时无论是锅里的水还是蒸发到空气中的水蒸气，其温度都只有100℃，温度不能再往上升，但此时还必须继续对水加热才能维持沸腾状态（即水的温度虽然不变，但仍要继续吸收热量才能维持相变的进行）,此时水吸收的热量就是潜热。
通常物质的潜热远远大于其显热。
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。
相变
2010年西南遭遇百 年不遇大旱
2011年上半年，全 国受灾耕地面积 1.044亿亩。650万 人、396万头大牲畜 因旱饮水困难。
人工降雨
雨形成的条件 云：聚集在空中的小水滴（0.0001-0.0002mm) 小水滴长大，从空中落下形成雨。
人工降雨发展历程
祈雨 人工降雨
美国通用电气公司的科学家文森特谢福：干冰 科学家伯纳德冯尼古特：碘化银
产物特征
1 从一种结构到另一种结构 固-液-气 之间的相互转变 同素异构之间的转变 有序-无序相变 2 化学成分的变化 固溶体的脱溶 3 某种物理性质的跃变
例：雪花
雪花的形状
如何形成？
气相固相
相变的应用
人工降雨
农作物减产，甚至绝收。
水产养殖业减产，甚至绝收。
航运受阻
人畜用水困难
分子场理论(Weiss1907)
1 用来描述磁相变 H TM C
类似于气体方程PV=NT
，H——磁场，M
自发磁矩，C=S/3k，S——微观磁矩。
Bragg-Willams长程有序理论 （1934）
用来描述合金的有序无序相变
ZEm 1 1 L ln kT L 1 L
朗道理论（1937）
G混 H 混 TS混 X A X B RT ( X A ln X A X B ln X B )
G X AGA X BGB X A X B RT ( X A ln X A X B ln X B )
当XA或XB0时，-TS混曲线趋向垂直；而H
混曲线斜率趋于有限值。说明在绝对零度以
相变的概念与分类
地长大，形成新相（如Spinodal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。 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。
8
陶瓷材料相变综合分类概况：
超导相变
1 Gk T 2
随ΔT↑，ΔGV↑，ΔGk↓， Iν↑至最大值；
Iv P
Iv D
②Iν达到最大值后: 温度继续下降，ΔT较大，质点迁移 速率下降，D因子大幅度降低，使Iν 降低。
T
图8-10 成核速率与温度30关系图
讨论：
（2）成核速率Iν与熔体组成的关系 当析出的晶体与熔体组成不同时，随晶体析出，
①熔体组成发生变化，单位体积自由能ΔGV↓； ②界面能sL随着晶体的析出而升高。
综和结果：随晶体析出量的增加，系统的自由能升高， 从而抑制析晶的进行——成核速率↓。
31
2．非均匀成核
熔体具有过冷度或过饱和度后不能立即成核的主要原 因是成核时形成液-固相界面需要能量。 当母相中存在某些界面（如容器壁、杂质粒子、气泡 等），这时成核就会在这些异相界面上首先发生，因 为界面的代换比界面的创生需要的能量低，所以异相 界面的存在可降低成核势垒，使非均匀成核能在较小 的过冷度下进行。
n
SL
16n
3 SL
3GV2
因为临界核坯的表面积为：
Ak
4nrk2
16n
2 SL
GV2
所以：ΔGk=1/3·AksL 即形成临界半径大小的新相，对系统 所作的功等于新相界面能的1/3。ΔGk称为易进行。
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相变的条件与热力学计算
相变的条件与热力学计算相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，常见的相变有固体到液体的熔化、液体到气体的汽化以及固体到气体的升华。
相变发生的条件与热力学计算密切相关，本文将探讨相变的条件以及热力学计算的方法。
一、相变的条件相变在一定的条件下才能发生，主要包括温度、压力和物质的性质等因素。
1. 温度条件温度是相变发生的关键因素之一。
对于普通物质而言，相变通常在一定的温度范围内进行。
例如，对于水来说，在标准大气压下，0℃以下会发生冻结相变，0℃到100℃之间会发生液体与气体之间的转变。
2. 压力条件压力也是影响相变的重要因素之一。
在一定的温度下，不同压力下相变的发生时间和条件也会有所不同。
以水为例，当压力增加时，水的沸点会升高，当压力降低时，水的沸点会降低。
3. 物质性质条件不同物质的相变条件也会存在差异。
例如，金属的熔化点通常较高，而非金属物质的熔化点通常较低。
物质的分子结构、化学组成和相互作用力等因素都会影响相变的条件。
二、热力学计算方法在研究相变过程时，热力学计算是一种重要的方法。
通过热力学计算，可以得到相变的热力学参数，例如相变的焓变、熵变和自由能变化等。
1. 焓变在相变过程中，焓的变化量被定义为相变时物质所吸收或释放的热量。
焓变可以通过测量相变前后的热量以及温度变化来计算。
焓变的计算方法可以使用热容和热量转移方程进行估算。
2. 熵变熵的变化量表示了在相变过程中物质的无序程度的变化。
熵变的计算方法可以利用熵的定义公式和热力学基本方程进行计算。
熵变的正负值可以表征相变是熵增（正）还是熵减（负）的过程。
3. 自由能变化自由能变化是相变过程中物质可能发生的方向和稳定性的判断依据。
通过计算相变前后的自由能变化，可以了解相变是否会自发发生。
自由能变化可以通过自由能的定义公式和热力学基本方程进行计算。
通过热力学计算，可以获得相变的热力学参数，从而对相变过程进行分析和预测。
这对于材料科学、化学工程以及能源研究等领域都有着重要的意义。
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。
相变
一级相变时，S1≠S2，V1 ≠V2，即相变时有 相变潜热，伴随着体积突变。 晶体的熔化，升华，液体的凝固、气化，气体 的凝聚以及晶体中的大多数晶型转变都属于一级 相变。
最常见的一种相变！！！
二级相变的特点是，相变时两平衡相的化学势 相等，化学势的一阶偏导数也相等，但二阶偏导 数不相等，即 1 2 1 2
1 2
T P T P
P T P T
2 1 2 2 T 2 T 2 P P
2 1 22 P 2 P 2 T T
2．相变过程的压力条件 从热力学知道，在恒温可逆不作有用功时： ΔG =VdP 对理想气体而言
RT G VdP dP RT ln P2 / P 1 P 当过饱和蒸汽压力为P的气相凝聚成液相或固相(其平 衡蒸汽压力为P0)时，有 ΔG=RTln P0 ／P (5)
要使相变能自发进行，必须ΔG <0，即P>P0， 也即要使凝聚相变自发进行，系统的饱和蒸汽压 应大于平衡蒸汽压P0。这种过饱和蒸汽压差P –
4 3 G G1 G2 VGV A r nGV 4r 2 n 3 假定为球形
V为新相的体积,△Gv为单位体积中旧相和新相之间的自由能之差
ΔG = ΔG1+ ΔG2 (恒温恒压,不考虑应变能)
4 3 G G1 G2 VGV A r nGV 4r 2 n 3
第五章 相变
本章主要内容：
§5.1 相变的分类
§5. 2 液固相变过程热力学
§5.3 液固相变动力学来自本章要求掌握的主要内容：
物理学中的相变现象
物理学中的相变现象相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，它在物理学中具有重要的意义。
相变现象不仅广泛存在于日常生活中，还在科学研究和技术应用中发挥着重要作用。
本文将介绍物理学中的相变现象，包括相变的定义、分类、基本原理、应用以及未来的研究方向。
一、相变的定义与分类相变指的是物质由一种相转变为另一种相的过程。
根据物质的性质和相变发生时的条件，相变可以分为凝固、熔化、汽化、凝析、升华和融解等不同类型。
1. 凝固：凝固是指物质从液态转变为固态的过程。
当物质受到足够的冷却或压力增加时，其分子将逐渐排列成规则的晶体结构，形成固体。
2. 熔化：熔化是固体物质在受热条件下由固态转变为液态。
当物质受到足够的加热时，分子的热运动增加，晶体结构逐渐破坏，从而形成液体。
3. 汽化：汽化是指液体物质在受热条件下由液态转变为气态。
当液体受到足够的加热时，其分子热运动增强，液体表面上的分子逐渐脱离，形成气体。
4. 凝析：凝析是气体物质在降温条件下由气态转变为液态。
当气体受到足够的冷却时，分子之间的相互作用增强，逐渐形成液滴。
5. 升华：升华是指固体物质在受热条件下由固态直接转变为气态，无液态过程。
当固体受到足够的加热时，分子热运动增强，直接从固态跳过液态，形成气体。
6. 融解：融解是指固体物质在受热条件下由固态转变为液态。
与熔化不同的是，融解是指非晶态或非晶态固体的相变过程。
二、相变的基本原理相变背后有着深入的物理原理，其中最重要的是热力学和统计物理学。
热力学研究了相变过程中的能量变化和物质的热力学性质，而统计物理学则从分子的角度解释了相变现象。
在物质的相变过程中，能量的改变起着关键作用。
相变过程中，物质吸收或释放潜热（latent heat），这是因为在相变过程中，分子之间的相互作用被改变所导致的。
根据热力学的第一定律，能量在相变过程中是守恒的，即吸热和放热的能量之和等于零。
统计物理学通过分子和宏观性质之间的关联来解释相变现象。
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。
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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混合过程中S的变化
熵表征为系统的混乱程度，固态下系统的熵构成： 主要是混合熵(配置熵)，决定于原子可能排列的方式； 其次还有振动熵，决定于温度和缺陷。 每摩尔物质有原子，在二元系统中，A、B各自的 原子数为NA、NB，即NA＋NB＝N，材料的成分和浓度为： XA＝NA/N、XB＝NB/N (XA＋N＝1)。 混合时熵的变化：
下页
Δ HM>0时自由能随成分变化规律
溶解时会吸收热量，由于Δ HM和TΔ SM表现为相反的 作用，曲线的形状与二者的大小相关。
混合所提高的内能全部由热温熵来补充， Δ Gm≤0，G(x)依然为下垂曲线，仅仅下垂的程度小一
Δ HM>0时自由能随成分变化规律
构成的曲线有三个极值 点和两个拐点，在靠近坐标 轴(x接近0或1)处为上凹曲线， 有两个极小值，而中部位凹 向朝下的上凸曲线，会有一 极大值。
在G－X的图形中，G1、G、G2三点在一直线上，并服从杠杆定律。
固溶体自由能与成分温度的关系
在温度T下，寻找G－x之间的关系。设NA和NB为固溶体 中A、B的原子数 ，XA和XB为两组元的摩尔浓度，即
在温度T下， G0为混合前的自 由能，Δ Gm为混合过程中自由 能变化。 G0A的值由纯组元公式计算出。 先计算混合过程中H、S的变化 量，可以计算Δ Gm变化。
两相平衡－公切线法则
在二元的情况，温度T一定 时,若AB组元可能形成α 、 β 两种相，其自由能与成分 的关系曲线如图所示,合金 成分为X时:
以单一的α 相存在,自由能在1点； 以单一的β 相存在,自由能在2点； 作Gα 、Gβ 的公切线，切点分别 为P、Q，延长交坐标轴为a、b。 a点为组元A在α 和β 的化学位，b点为组元B在α 和β 的化学位, 显然二者相等，所以P点的α 相成分为x1；Q点的β 相成分为x2； 它们是平衡相。两相的数量满足杠杆定律，以这两相混合的自 由能在M点。这时的自由能最低，它们才是这个温度下的平衡相。
多相平衡－公切线法则
结论：二元合金两相平衡的条件是能够作出这两相自 由能曲线的工切线。公切线在两条曲线上的切点的成 分坐标值便是这两个相在给定温度下的平衡成分。 推论：三个溶体平衡共存 的条件是在给定的温度下， 公切线能同时切过三条自 由能曲线。或曰这三个溶 体的自由能曲线有公切线。 这三个切点的成分坐标值 便是这三个相在给定温度 下的平衡成分。
按热力学分类
一级相变：在临界点处，如果：
当T或P发生变化 (偏离临 界点),平衡就被破坏，体系的 熵S和体积V会改变，向吉布斯 自由能低的方向发展，就有一 相减少而另一相增加，这时发 生的相变称为一级相变。
所以一级相变过程会伴随 潜热的释放(或吸收)和体积改 变的发生。过去相图中介绍的 合金凝固过程是一级相变，热 处理中发生的固态相变也主要 是一级相变。
自由能随成分变化规律
当Δ HM=0时：
这时为理想溶液模型，即
G(x)为下垂线，即曲线的凹向朝上。
自由能随成分变化规律
Δ HM<0时 ：
这时异类原子的结合力大 于同类原子之间的结合力。 表现为在溶解时会放出热 量。
G(x)为下垂线，曲线的凹向朝上。由于Δ HM和TΔ SM 的同时作用，曲线下垂更大。
在这种情况下，存在两个必然的规律：其一是任何组元， 少量的溶解其它组元都会使其吉布斯自由能下降，绝对的不能 溶解其它元素是不存在的，得到绝对的纯净物资是不可能的， 即“金无赤足”。其二是当出现上凸时，吉布斯自由能会提高， 自发的趋势是形成两相混合物可以降低体系的自由能，两组元 表现为有限溶解。
Δ HM>0时自由能随成分变化规律
系的图形。
相图的测定方法：一般用物理方法来进行，利用不同组成相
所具有的不同物理性能特征参数或性能变化时的表现出物理两 地变化特征来进行测定工作。例如常用的热分析法、热膨胀系 数/比容变化、磁性法等等。
计算法预测相图：由材料的成分判断可能组成的相结构，计
算在某一温度下的自由能，找出合适组成相或他们之间的组合， 达到能量最低的状态(平衡态)，从而确定相图的结构。随着热 力学数据的积累，计算机能力提高和普及，这种设想现在逐步 可以实现。
第十章 材料热力学 与固态相变基础
• • • • • • 合金自由能的计算 自由能随成分变化规律 相平衡原理 相图与吉布斯自由能曲线 固态相变概论 总结与回顾－－材料的成分、加 工工艺对组织、性能的影响
引言
平衡状态：系统吉布斯自由能处于最低所对应的状态。
相图：表述物质的成分、环境条件与平衡状态下存在相之间关
增幅分解(Spinodel)
增幅区内的分解
成分在虚线范围内时，由于自由能曲线为上凸(凹向朝下)， 任何细小的成分的偏离都会使自由能下降，偏离加大自由能降 低愈多，可见这时成分的偏离是自发的，不需要外界提供或自 身的聚集，自发地加大偏离的幅度，所以把这种分解称为增幅 分解。分解的过程和所得组织如图所示，增幅分解的组织呈布
按热力学分类
由热力学知，系统总是相着吉布斯自由能降低的 方向自发转变。两个存在的相处于互相平衡状态，不 发生转变，二者的吉布斯自由能相等。这时构成材料 的组元在两个相中的化学位相等,即μ 1＝μ 2，否则组 元会从一个相中向另一相转移，即有相变发生。 临界点：在一定的温度和压力下，两相处于平衡， 这个平衡时对应的温度和压力称为他们的临界点，固 态转变中，压力影响较小，一般临界点大多指在一个 大气压下平衡是对应的温度。 两相处于临界点时:
按原子运动的方式分类
扩散型（非协同型）：原子从母相以扩散方式向新相迁移。原子 可以改变相邻关系；转变的速度由原子扩散迁移速度控制，在固 态中进行较慢；转变过程大多伴随成分的改变(新旧相成分不相 同)；转变产物无固定的形状，决定于界面能，为减少界面面积， 有可能是为球面。脱溶、共析、增幅分解属于这种类型。 协同型（非扩散型）：在相变过程中没有原子的扩散运动，相变 前后没有成分的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生 有规律的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结 构的改变，这就是协同型相变。转变的结果是新旧相成分相同， 为减少原子偏移的距离，新相的取向与母相原来的取相有一定的 延续关系；转变中新旧相的界面有共格关系，转变要求较大的驱 动力来补偿共格应变能；转变速度快，但大多不能进行到底。以 下要介绍的马氏体相变就是属于协同型相变。
化学位的图解法证明
单相平衡
稳定的单相为在某一温度 下，该相的自由能最低，并且 在该成分点出的G(x)~x曲线为 “上凹”。
1、在温度T下，AB组元可能形成α 、 β 两种相，为了降低系统的自由能， 显然将以单一的α 存在比β 相或α ＋β 两相混合时的自由能低一些。
2、当曲线为“上凹”时，应为均匀成分xB的自由能最低。如果 某一处出现高出xB的成分时，因为物质不灭，必然存在另一处 为低于xB的成分，这时系统的自由能将高于均匀成分时的自由 能，系统未达到平衡，在动力学条件满足时，趋于形成单一均 匀成分。例如枝晶偏析较平衡态的能量高，均匀化退火加热时 通过扩散达到成分均匀的过程是自发的。
按热力学分类
二级相变： 在临界点处，
按热力学分类
二级相变：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k、等压热膨胀系数α 可 能不相同。 当T或P发生变化(偏离 临界点)，平衡也被破坏，向 吉布斯自由能低的方向发展， 这时发生的相变称为二级相 变。所以二级相变过程中无 潜热和体积的改变，一般两 相的成分也相同(成分的变化 一般会改变其熵)。常见的二 级相变有磁性转变、有序－ 无序转变、超导转变等，大 多伴随材料某种物理性能的 变化。
每一组元在平衡各相中的化学位相等。
化学位的图解求法
在某固定的温度下，由AB两组元构成的某一相α ， 其自由能与成分之间的关系如图所示，当其成分为XB 时，求这时A、B组元在该相中的化学位？
若已知G(x)与成分xB的关 系如图所示。 由成分xB在G(x)曲线上的位置M，过M作曲线G(x)的切 线交坐标两端P、Q点，截距即为这时A、B组元的化学
在实线和虚线之间的区域。成分为CN的合金有分解的热力 学动力，但形核时成分的偏离会造成能量的提高，只有达到一 定数量(大小)后其自由能才会降低，表明形核时要求一定的临 界尺寸，开始能量的聚集来源于那目光了起伏。这种状态和固 溶体中第二相形成相同。Biblioteka 增幅分解(Spinodel)
增幅区内的分解
成分在虚线范围内时，由于自由能曲线为上凸(凹向朝下)， 任何细小的成分的偏离都会使自由能下降，偏离加大自由能降 低愈多，可见这时成分的偏离是自发的，不需要外界提供或自 身的聚集。
概述
固态相变：固态物质内部的组织结构的变化称为 固态相变。 相是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分 隔的物质均匀组成部分，相变是从已存的相中生成新 的相。之所以为新相，生成部分与原有部分存在着或 成分不同、或相结构不同、或有序度不同、或兼而有 之，并且和原来部分有界面分隔。原来的部分称为母 相或反应相，在转变过程中数量减少，生成部分称为 新相或生成相，在转变过程中数量增加。 在热处理过程中，材料处于固态下，但内部都有 不同的固态相变发生，先分析固态相变基本规律。
混合过程中H的变化
固溶体自由能与成分温度的关系
结论：
注意这个表达式的推导用的假设，即使用条件，这 是一最简单的情况，其它情况下应根据使用环境来加 以修正。
第二节
自由能随成分变化规律
• 数学表达关系分析
• 当Δ HM=0时的状态
• 当Δ HM<0时的状态
• 当Δ HM>0时的状态
数学表达关系分析
第四节 相图与吉布斯 自由能曲线
• • • • 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶相图 增幅分解
二 元 匀 晶 相 图
二元匀晶相图
二 元 共 晶 相 图
二元共晶相图
二 元 包 晶 相 图