3-1物质的相态-水的相图
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《材料科学基础教学课件》第一章-相图
在化学工业中的应用
化工过程控制
相图可以用来预测不同成分和温 度下的相态和物性，为化工过程 的控制提供依据，确保生产过程
的稳定性和安全性。
化学反应研究
相图可以用来研究化学反应过程中 物质的状态和性质变化，有助于深 入理解化学反应机理和反应条件的 选择。
分离技术应用
相图可以用来指导分离技术的选择 和应用，例如利用相图的溶解度曲 线进行萃取分离或结晶分离。
04
相图的应用
在材料科学中的应用
合金设计
相图是合金设计的基础，通过相 图可以确定合金的成分范围以及 各相的组成和性质，从而优化合 金的性能。
热处理工艺制定
利用相图可以确定合金在不同温 度下的相变过程，从而制定合理 的热处理工艺，优化材料的显微 组织和力学性能。
新材料研发
相图为新材料研发提供了理论指 导，通过研究不同成分和温度下 的相变规律，可以发现具有优异 性能的新型材料。
实验法是绘制相图最直接和可靠的方 法，但需要耗费大量的时间和资源。
实验法通常需要使用精密的实验仪器 和设备，如热分析仪、X射线衍射仪、 扫描电子显微镜等，以获得精确的数 据。
计算法
计算法是根据物质的分子或原 子模型，通过计算机模拟计算 物质之间的相平衡关系。
计算法可以快速地预测物质的 相平衡关系，但需要建立准确 的分子或原子模型，且对计算 资源的要求较高。
在冶金工业中的应用
钢铁冶金
01
钢铁冶金过程中涉及大量的相变和相分离，相图是指导钢铁冶
金工艺的重要工具，有助于优化炼钢和连铸连轧工艺。
有色金属冶金
02
在有色金属冶金中，相图可以用来确定合金的成分和温度范围，
优化熔炼、浇注和凝固工艺，提高产品的质量和性能。
物理化学第五章1
g
明白二点假设
fus Hm dT dp . fusVm T
一、克拉贝龙方程的推导思路
1. 相平衡条件 推 导 思 路 2. 热力学的基本方程
dG = -S dT + V dp
3.可逆相变：
Hm Qr Sm T T T
Qp
T, p
T+dT, p+dp
Hm : 物质的摩尔相变热
该式称为克拉贝龙方程。适用于任何纯物质 的任何两相平衡(气液、气固和固液平衡)。
二、克劳修斯--克拉贝龙方程的推导
Hm dp dT T Vm
克拉贝龙方程
(l、s) (g)
(蒸发或升华)
二点假设
d ln p H m 2 dT RT
S 2 S S R R
K 2
'
对相律的4点说明：
f = K- +2
1、相律仅适用于多相平衡体系； 2、推导过程中假设每一相中S种物质均 存在。如果某一相或几相中，不含一种或 几种物质时，均不会影响相律的形式。
对相律的4点说明：
f = K- +2
3、式中2表示只考虑温度、压力对 平衡系统的影响。 若考虑其他因素(如电场、磁场、重力场 等)对平衡系统的影响，则相律的形式为：
K = S - R - R’
显然，K S
重点
K = S - R - R’
S: 物种数
R: 独立化学反应的数目(独立的平衡反应数)
R’: 独立的浓度限制条件数目
强调1：所涉及的平衡反应，必须是在所 讨论的条件下，系统中实际存在的反应。 强调2：对于一个平衡反应，在一定条 件下, KØ为定值使一种物质不独立。
明白二点假设
fus Hm dT dp . fusVm T
一、克拉贝龙方程的推导思路
1. 相平衡条件 推 导 思 路 2. 热力学的基本方程
dG = -S dT + V dp
3.可逆相变：
Hm Qr Sm T T T
Qp
T, p
T+dT, p+dp
Hm : 物质的摩尔相变热
该式称为克拉贝龙方程。适用于任何纯物质 的任何两相平衡(气液、气固和固液平衡)。
二、克劳修斯--克拉贝龙方程的推导
Hm dp dT T Vm
克拉贝龙方程
(l、s) (g)
(蒸发或升华)
二点假设
d ln p H m 2 dT RT
S 2 S S R R
K 2
'
对相律的4点说明：
f = K- +2
1、相律仅适用于多相平衡体系； 2、推导过程中假设每一相中S种物质均 存在。如果某一相或几相中，不含一种或 几种物质时，均不会影响相律的形式。
对相律的4点说明：
f = K- +2
3、式中2表示只考虑温度、压力对 平衡系统的影响。 若考虑其他因素(如电场、磁场、重力场 等)对平衡系统的影响，则相律的形式为：
K = S - R - R’
显然，K S
重点
K = S - R - R’
S: 物种数
R: 独立化学反应的数目(独立的平衡反应数)
R’: 独立的浓度限制条件数目
强调1：所涉及的平衡反应，必须是在所 讨论的条件下，系统中实际存在的反应。 强调2：对于一个平衡反应，在一定条 件下, KØ为定值使一种物质不独立。
相变过程中物质的相图及其应用
相变过程中物质的相图及其应用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。
在相变过程中，物质的性质会发生明显的变化，这种变化在我们的日常生活中无处不在。
相变过程中物质的相图是描述物质在不同温度和压力条件下各个相态之间相互转变的图表。
相图的研究不仅对于理解物质的性质和行为具有重要意义，还有许多实际应用。
一、相变过程中物质的相图相图是研究物质相变的重要工具，它可以帮助我们了解物质在不同温度和压力条件下的相变规律。
相图通常由温度和压力构成的坐标轴表示，不同相态的区域用曲线或面表示。
在相图中，常见的相态包括固态、液态和气态。
以水的相图为例，水在常温常压下处于液态，当温度降低到0摄氏度时，水会发生相变，转变为固态，即冰。
冰和水在相图中通过曲线连接，表示两者之间的相变过程。
当温度继续下降时，冰会进一步转变为更稳定的固态，形成不同的冰相。
同样，水在高温下也会发生相变，转变为气态，即水蒸气。
水蒸气和水在相图中通过曲线连接，表示两者之间的相变过程。
除了固态、液态和气态，还存在一些特殊的相态，如等离子态和凝聚态。
等离子态是物质在高温或高能量条件下电离而形成的，它具有高度的电导性和热传导性。
凝聚态是物质在低温或低能量条件下形成的，包括玻璃态、胶体态等。
二、相图的应用相图的研究对于理解物质的性质和行为具有重要意义，也有许多实际应用。
1. 材料科学：相图在材料科学中起着重要的作用。
通过研究相图，可以确定材料的熔点、沸点、晶体结构等性质，帮助选择合适的材料用于不同的应用。
相图还可以指导材料的合成和加工过程，优化材料的性能。
2. 化学反应：相图可以帮助研究化学反应的进行过程和条件。
通过分析相图，可以确定反应物和产物的相态，预测反应的进行程度和产物的纯度。
相图还可以指导化学反应的优化和控制。
3. 能源利用：相图在能源利用领域也有广泛的应用。
例如，相图可以帮助研究和设计高效的热力学循环系统，提高能源利用效率。
相图还可以指导储能材料的选择和设计，优化能源储存和释放过程。
材料科学基础三元相图
材料科学基础三元相图
一．三元相图的成分表示法：等腰三角形
材料科学基础三元相图
一．三元相图的成分表示法：直角坐标系
材料科学基础三元相图
3．浓度三角形中特殊线： 3.1 平行浓度三角形任一边的直线
3.2 从浓度三角形的一个顶点到对边的任意直线
材料科学基础三元相图
二、杠杆定律及重心法则
单相平衡勿须计算，四相平衡无从计算 1．两相平衡：杠杆定律
2．合金的凝固过程和组织
各点合金的组织
如表4-3（表中nmp区需修正） 如合金I：L→A 剩余液相交np于n1：L+A→M 至n2点，A消失，L→M 液相沿e1E：L→M+B 液相成分在E点：L→M+B+C
材料科学基础三元相图
材料科学基础三元相图
3．等温截面
材料科学基础三元相图
4。变温截面
材料科学基础三元相图
2.三元相图分析 法 总 结 --- 三 相 平 衡 -- 三 相
反应的判定--：
投影图判断三 相反应
液相单变量线穿 过两旁固相成分点连 线的为二元共晶型， 而单变线穿过两旁 固相成分点连线延 长线为二元包晶反 应，且靠近单变线 的为生成相
材料科学基础三元相图
3．三元相图分析法总结---四相平衡
x合金结晶：
L→A，L+A→M，L→M，L→M+C，L→M+B+C
y合金结晶： L→A，L+A→M，L+A→M+C，L→M+C，L→M+B+C 5．固相有固溶度时的包共晶 包共晶：Lα+P→Md1+γc1 包晶反应 LE→Md2+βb+γc2 d1d2，c2c1为M+γ二元共晶结 束面投影
一．三元相图的成分表示法：等腰三角形
材料科学基础三元相图
一．三元相图的成分表示法：直角坐标系
材料科学基础三元相图
3．浓度三角形中特殊线： 3.1 平行浓度三角形任一边的直线
3.2 从浓度三角形的一个顶点到对边的任意直线
材料科学基础三元相图
二、杠杆定律及重心法则
单相平衡勿须计算，四相平衡无从计算 1．两相平衡：杠杆定律
2．合金的凝固过程和组织
各点合金的组织
如表4-3（表中nmp区需修正） 如合金I：L→A 剩余液相交np于n1：L+A→M 至n2点，A消失，L→M 液相沿e1E：L→M+B 液相成分在E点：L→M+B+C
材料科学基础三元相图
材料科学基础三元相图
3．等温截面
材料科学基础三元相图
4。变温截面
材料科学基础三元相图
2.三元相图分析 法 总 结 --- 三 相 平 衡 -- 三 相
反应的判定--：
投影图判断三 相反应
液相单变量线穿 过两旁固相成分点连 线的为二元共晶型， 而单变线穿过两旁 固相成分点连线延 长线为二元包晶反 应，且靠近单变线 的为生成相
材料科学基础三元相图
3．三元相图分析法总结---四相平衡
x合金结晶：
L→A，L+A→M，L→M，L→M+C，L→M+B+C
y合金结晶： L→A，L+A→M，L+A→M+C，L→M+C，L→M+B+C 5．固相有固溶度时的包共晶 包共晶：Lα+P→Md1+γc1 包晶反应 LE→Md2+βb+γc2 d1d2，c2c1为M+γ二元共晶结 束面投影
第03章_相变_液体普化原理
101 kPa下，低于100 oC水蒸气可能液化，高于100 oC水 可能气化；氯气在室温加压可能液化； 氧气在室温无论加多大的压力也不能液化，必须将 T 降 至－119 oC以下，再加 5 MPa的压力才能液化，这种现象叫 临界现象； 能使气体液化的最高温度称为临界温度 Tc； 在临界温度使气体液化所需的最低压力叫临界压力pc； 在Tc 和pc条件下，1mol气体所占的体积叫临界体积Vc 气体的沸点越低，临界温度也越低，就越难液化。
⑥ 三相点是g、l、s共存的条件，曲线上任一点表示两 相共存的条件，两线间的平面表示一相独存的条件。
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相图的理解示意图
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液体和液晶的基本性质
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二、水的相图
1．蒸气压曲线
① 曲线代表了不同的T、p条件下g、l 共存的各种平衡状态，曲线上任一点 所对应的T是特定 p 下的沸点。A点压 力2.34 kPa，T = 20 oC
极限为临界点
② 在蒸气压不变的情况下， 降 T ，蒸气冷凝成液体，A→D 升 T ，l 蒸发成 g ，A→B
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永久气体：沸点和临界温度都低于室温的气体。 如He、H2、N2、O2、CH4
可凝聚气体：沸点低于室温而临界温度高于室温的气体。 CO2、NH3、Cl2、C4H10
液体：沸点和临界温度都高于室温。 H2O、 C6H6、 C5H12、CHCl3
绝对的理想气体能否被液化？
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B
E
D
物理化学第四章 相图(材料版)
d T TΔ Vm
Δ Hm - 摩尔相变热； Δ Vm - 相变时摩尔体积变化量
用于任何纯物质的两相平衡系统
对气-液或气-固两相平衡， DVm Vm ( g ) ,
并假定气体为理想气体:
d ln p = DHm dT RT 2
若 DHm可近似看作常数，则：
ln p = - DHm 1 + I RT
4.3 相 律
相律（phase rule）：讨论平衡系统中相数、独立组分数与描述该平 衡系统的变数之间的关系。 相(phase)：系统中，物理及化学性质完全均一的部分。相与相之间有 明显界面，界面两边的性质有突变。
相数(number of phases)：系统中所包含相的总数，以符号 表示
气体: 一个系统中无论含有多少种气体，只能有一个气相； 液体:一个系统中可有一个或两个，一般不超过三个液相； 固体:系统中所含的不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了固溶
Φ =3
f = 1 单变量系统 f = 0 无变量系统
水的相图 水的相图是根据实验绘制的。以压力为纵坐标，温度为横坐标。
三个单相区 三条两相平衡线 一个三相点
三个单相区:温度和压力独立地有限度地变化不会引起相的改变。
三条两相平衡线：压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由系统自定。
OA: 是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于临 界点。临界点T=647K, p=2.2×107Pa，这时气-液界面消失。
独立组分数C = S - R = 2，相数Ф = 1，自由度 f = 2 - 1 + 2 = 3
(2) N2(g)、H2(g)和NH3(g)，其中N2和H2均由NH3分解而来 解：物种数S = 3，独立反应数 R = 1,R' = 1
Δ Hm - 摩尔相变热； Δ Vm - 相变时摩尔体积变化量
用于任何纯物质的两相平衡系统
对气-液或气-固两相平衡， DVm Vm ( g ) ,
并假定气体为理想气体:
d ln p = DHm dT RT 2
若 DHm可近似看作常数，则：
ln p = - DHm 1 + I RT
4.3 相 律
相律（phase rule）：讨论平衡系统中相数、独立组分数与描述该平 衡系统的变数之间的关系。 相(phase)：系统中，物理及化学性质完全均一的部分。相与相之间有 明显界面，界面两边的性质有突变。
相数(number of phases)：系统中所包含相的总数，以符号 表示
气体: 一个系统中无论含有多少种气体，只能有一个气相； 液体:一个系统中可有一个或两个，一般不超过三个液相； 固体:系统中所含的不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了固溶
Φ =3
f = 1 单变量系统 f = 0 无变量系统
水的相图 水的相图是根据实验绘制的。以压力为纵坐标，温度为横坐标。
三个单相区 三条两相平衡线 一个三相点
三个单相区:温度和压力独立地有限度地变化不会引起相的改变。
三条两相平衡线：压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由系统自定。
OA: 是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于临 界点。临界点T=647K, p=2.2×107Pa，这时气-液界面消失。
独立组分数C = S - R = 2，相数Ф = 1，自由度 f = 2 - 1 + 2 = 3
(2) N2(g)、H2(g)和NH3(g)，其中N2和H2均由NH3分解而来 解：物种数S = 3，独立反应数 R = 1,R' = 1
固-液二元体系相图二级相变
根据涉及的变量数， 相图可分为一元、二 元和三元相图。
02
二级相变
二级相变的定义
二级相变
在热力学中，二级相变是指系统在等温、等压条件下，从 一个物态转变为另一个物态，同时伴随着热量的吸收或释 放，但系统的熵值保持不变的相变过程。
特征
在二级相变过程中，系统的某些物理性质（如密度、比热 容、热膨胀系数等）会发生突变，但系统的熵值保持不变。
相图的重要性
相图是研究物质热力学性质和相平衡的重要工具，有助于理解物质在不同条件下 的相态和性质。
在化学工程、材料科学、地质学等领域，相图具有广泛的应用价值，如指导工业 生产、矿产资源开发等。
相图的分类
根据涉及的相数，相 图可分为单相图和多 相图。
根据涉及的转变类型， 相图可分为一级、二 级和连续相变相图。
热力学稳定性
二级相变是热力学稳定的相变过程，因为系统在相变过程中不会发生 能量的损失或浪费。
二级相变的类型
连续相变
在二级相变过程中，系统的物理性质 会连续地发生变化，而不是突然地跳 跃。这种类型的二级相变通常发生在 物质从固态转变为液态的过程中。
跳跃相变
在二级相变过程中，系统的物理性质 会突然地跳跃式变化，而不是连续地 变化。这种类型的二级相变通常发生 在物质从液态转变为气态的过程中。
二级相变在固-液二元体系相图中的实例分析
水-冰相图
水在0°C以下结冰，发生二级相变。在相图中表现为曲线，随着温度降低，水从液态变 为固态。
金属-合金相图
金属合金在不同温度和成分下呈现不同的状态，如固溶体、金属间化合物等，这些状态 之间的转变即为二级相变。在相图中表现为曲线或平台，指导合金材料的制备和应用。
05
物质的相态-水的相图PPT精选文档
19
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。
O点 是三相点，气-液-固
三相共存，F 3, f 0。三相
点的温度和压力皆由体系自 定。
H2O的三相点温 度为273.16 K， 压力为610.62 Pa。
化学基础 Huaxuejichu 围绕课程标准
紧密结合教材 方便教师讲课
便于学生理解
1
第三章 物质的聚集状态 主要内容
2
2020/5/25
学习目标
3
学习内容
物质的相态——相和相图；饱和蒸汽压和 温度
气体——理想气体、混合气体、实际气体 溶液——稀溶液依数性；非电解质溶液气
液平衡；电解质的电解 胶体——胶体的特殊性质；物质的表面特征
7
2020/5/25
问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=1； 组分数S=2
溶液是一相
因为乙醇与水能以任意 比例混溶。
乙醇分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
8
Байду номын сангаас
2020/5/25
问题分析
③20mL的四氯化碳 与80mL去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
过冷现象,这种水称为过冷水。过冷水是一种亚稳态， 是热力学上不稳定的状态，在一定条件下会自动结成冰。 （2）三相点的温度(0.01℃)比冰点(0℃)稍高,原因是冰 点为101.325kPa外压下被空气饱和的水的凝固点。空 气溶解在水中,压力由三相点压力增大到101.325kPa,两 者使冰点比三相点的温度0.01℃。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。
O点 是三相点，气-液-固
三相共存，F 3, f 0。三相
点的温度和压力皆由体系自 定。
H2O的三相点温 度为273.16 K， 压力为610.62 Pa。
化学基础 Huaxuejichu 围绕课程标准
紧密结合教材 方便教师讲课
便于学生理解
1
第三章 物质的聚集状态 主要内容
2
2020/5/25
学习目标
3
学习内容
物质的相态——相和相图；饱和蒸汽压和 温度
气体——理想气体、混合气体、实际气体 溶液——稀溶液依数性；非电解质溶液气
液平衡；电解质的电解 胶体——胶体的特殊性质；物质的表面特征
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问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=1； 组分数S=2
溶液是一相
因为乙醇与水能以任意 比例混溶。
乙醇分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
8
Байду номын сангаас
2020/5/25
问题分析
③20mL的四氯化碳 与80mL去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
过冷现象,这种水称为过冷水。过冷水是一种亚稳态， 是热力学上不稳定的状态，在一定条件下会自动结成冰。 （2）三相点的温度(0.01℃)比冰点(0℃)稍高,原因是冰 点为101.325kPa外压下被空气饱和的水的凝固点。空 气溶解在水中,压力由三相点压力增大到101.325kPa,两 者使冰点比三相点的温度0.01℃。
两组分液相完全不互溶系统相图
P =P*(H2O) + P*(C6H6)
一定外压下，例如101.325kPa ，其沸点为343K，
p* (H2O)
Tb (A+B)＜T
333 343 353 363 373 T /K
* A * B
水,苯的蒸汽压与温度的关系
Tb (A+B)＜T
比纯水及苯的沸点都低。
3
由分压定义 p*B = p yB yB = p*B / (p*A + p*B ) 在 p=101.325 kPa 外压下，
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 xB
A- B系统的 沸点-组成图
7
★ 用途——水蒸气蒸馏：
提纯与水完全不互溶的有机液体。
2. 0 1. 8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 p* (H2O) + p* (C6H6) p* (C6H6)
因为可以降低系统沸点，故 可避免有机物分解; 节约能源.
6各相区的稳定相态ab系统的沸点组成图bt000204060810xbt?atecd相区气态ab混合气ab混合气相区液态a液态b相区液态a气态ab混合气相区液态b气态ab混合气ab混合气ced线液态a液态b气态气态ab混合气
作业
• 第二章作业p122 • 2-1,2-14,2-11,2-15,2-20，2-21 • 第三章计算题p156 • 3-1，3-2;3-3;3-4
相区②液态A+液态B 相区③液态A+气态（
A-B混合气）Leabharlann 相区④液态B+气态（
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 xB A-B混合气）
CED线液态A+液态B+气 态（A-B混合气；组成
上海交大-材料科学基础-第五章
固体有几种物质就有几个相，但固溶体时为一个相； 液体视其混溶程度而定
5. 自由度
在相平衡系统中，可以独立改变的变量（如温 度、压力或组分浓度等）称为自由度。
这些变量的数目叫自由度数，用f表示。
f＝0，无变量系统； f＝1，单变量系统； f＝2，双变量系统
溶解曲线 升华曲线
蒸发曲线
6. 外界影响因素
重建型转变 位 移 型 转 变
复习：
• 什么叫组元？什么是相？ • 何谓相律？ • 凝聚系统的相律是什么？
水（冰、液、汽）；碳（石墨、金刚石）
➢固体机械混合物中有几种物质就有几种相。
铁粉+碳粉
➢一个相可以连续成一个整体，也可以不连续。
水中的冰块
6. 相变：从一种相转变为另一种相的过程。若转变 前后均为固相，则成为固态相变。从液相转变为固相 的过程称为凝固。若凝固后的产物为晶体称为结晶。
二、相平衡
1. 平衡
第五章 单组元相图
第一节 相与相平衡
一、基本概念 1. 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是单
一元素也可以是稳定的化合物。 2.系统（体系）：选择的研究对象称为系统；系统
以外的一切物质都称为环境。 凝聚系统：不含气相或气相可以忽略的系统 如： 合金、硅酸盐系统
例： （1）一般系统 水、空气、酒精溶液、水与油、水与冰 （2）凝聚系统 机械混合物、化合物、固溶体、同新材料的开发从相图可以了解该体系在各种温度和压力下所存在的相态相成分和各个相的含量以及当温度和压力变化时将发生什么类型的相转变在什么条件下转变等第二节单元系相图一单元系统相图的表示和实验测定方法单相系相律fcp21p23p单相状态p1f2两相状态p2f1三相状态p3f0二相图分析相相区
5. 自由度
在相平衡系统中，可以独立改变的变量（如温 度、压力或组分浓度等）称为自由度。
这些变量的数目叫自由度数，用f表示。
f＝0，无变量系统； f＝1，单变量系统； f＝2，双变量系统
溶解曲线 升华曲线
蒸发曲线
6. 外界影响因素
重建型转变 位 移 型 转 变
复习：
• 什么叫组元？什么是相？ • 何谓相律？ • 凝聚系统的相律是什么？
水（冰、液、汽）；碳（石墨、金刚石）
➢固体机械混合物中有几种物质就有几种相。
铁粉+碳粉
➢一个相可以连续成一个整体，也可以不连续。
水中的冰块
6. 相变：从一种相转变为另一种相的过程。若转变 前后均为固相，则成为固态相变。从液相转变为固相 的过程称为凝固。若凝固后的产物为晶体称为结晶。
二、相平衡
1. 平衡
第五章 单组元相图
第一节 相与相平衡
一、基本概念 1. 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是单
一元素也可以是稳定的化合物。 2.系统（体系）：选择的研究对象称为系统；系统
以外的一切物质都称为环境。 凝聚系统：不含气相或气相可以忽略的系统 如： 合金、硅酸盐系统
例： （1）一般系统 水、空气、酒精溶液、水与油、水与冰 （2）凝聚系统 机械混合物、化合物、固溶体、同新材料的开发从相图可以了解该体系在各种温度和压力下所存在的相态相成分和各个相的含量以及当温度和压力变化时将发生什么类型的相转变在什么条件下转变等第二节单元系相图一单元系统相图的表示和实验测定方法单相系相律fcp21p23p单相状态p1f2两相状态p2f1三相状态p3f0二相图分析相相区
物理化学,三元相图
B 10 20 30 40 II
50
C% 60 70 80 90
50 40 ← A%
30
20 10
C
课堂练习
1. 确定合金I、II、 III、IV的成分
III 点： A%=20% B%=20% C%=60% 70 90 80
B 10 20 30
60 B% 50
40 30 20
40
50
C% 60
III
LA
B
e2 E2
L B
e
e3 E3
L C
C
E3
TC
E2
L C
E1 E3
LA+ B
E2
L B +C
LA+ C
EAe1源自Be e2e3
C
E1 E3
LA+ B
E2
L B +C
LA+ C
E TA TB E1
三 相 平 衡 共 晶 线
——
A3 A2 A1
B3 B2
E2 B1
A
E3
TC E C3 C2 C1
C
3. 直线法则与重心法则
1）直线法则 —— 适用于两相平衡的情况
三元合金R分解为 α与 β 两个新相， 这两个新相和原合金 R点的浓度必定 在同一条直线上。 B
投影到任何一边上，按二 元杠杆定律计算
C% B% g’ R
fg f ' g ' R W ef e' f ' R W
三元相图
一、三元相图几何特征
1. 成分表示法
—— 浓度三角形
等边三角型 B%
B
C%
＋ 顺时针坐标
物理化学课件二组分体系相图
假定 H vap m的值与温度无关，积分得：
lnp2 vapHm(11)
p1
R T1 T2
这公式可用来计算不同温度下的蒸气压或摩尔蒸发热。
6.2.2 Clapeyron方程
三条两相平衡线的斜率均可由Clausius-Clapeyron 方程或Clapeyron方程求得。
f * * = （ 3 - 1 ） - 1 + 0 = 1 （ X B ）
d ） T = 4 5 0 ℃ , P = 1 5 0 P θ , 有 催 化 剂 , 发 生 反 应
投 料 比 ： N 2 ∶ H 2 = 1 ∶ 3 R ’ = 1 f * * = （ 3 - 1 - 1 ） - 1 + 0 = 0
注意：
a ） 独 立 的 浓 度 限 制 条 件 （ 初 始 条 件 或 分 解 ）
说明：不同物质在同一相中的浓度限制条件 R’=0 C a C O 3 （ s ） → C a O （ s ） + C O 2 （ g ）
b ） 独 立 的 化 学 反 应 数 “ R ” 表 示
化 学 平 衡 时 ， 平 衡 常 数 限 制 浓 度
d dT PV Sii,,m m
Si,m Vi ,m
Si,m Vi,m
相变摩尔熵 相变摩尔体积
Si,m
Hi,m T
得：
dP H i,m
Clapeyron equation 适用于纯物质两相
dT
TVi , m
平衡
6.2.2 Clapeyron方程
在一定温度和压力下，任何纯物质达到两相平 衡时，蒸气压随温度的变化率可用下式表示：
§ 6.1.1 基本概念
相（phase） 体系内部物理和化学性质完全均
《相图及其类型》课件
《相图及其类型》ppt 课件
目 录
• 相图概述 • 单组分系统相图 • 二组分系统相图 • 三组分系统相图 • 相图的实验测定方法
相图条件下，描述物质中不同相之间关系的图解。它通过图形和数据 展示物质在不同温度、压力等条件下的相态变化，是研究物质相变规律的重要工 具。
三组分系统相图的分类
简单相图
三个组分之间只发生两两相互作用， 形成两个或三个单相区和一个或两个 双相区。
复杂相图
三个组分之间发生三组分相互作用， 形成多个单相区和多相区，具有更复 杂的相平衡关系。
三组分系统相图的实例分析
实例一
水-盐-烃三组分系统相图在石油工业中的 应用，用于研究油藏中水、盐、烃的相 平衡关系，指导石油开采和分离过程。
VS
实例二
硫酸-水-原料油三组分系统相图在化学工 业中的应用，用于研究硫酸、水和原料油 之间的反应和分离过程，提高生产效率和 产品质量。
相图的实验测定方
05
法
热分析法
差热分析法（DSC）
通过测量物质在加热或冷却过程中温度的变 化，确定物质的状态变化和相变。
热重分析法（TGA）
通过测量物质在加热过程中质量的变化，研 究物质在加热过程中的分解、氧化等反应。
要点一
总结词
描述合金的相图特点
要点二
详细描述
合金的相图是单组分系统相图中的另一种类型，它展示了 合金在不同成分和温度下的相变情况。在相图中，我们可 以看到合金的固溶线、共晶点和包晶点等关键点的位置， 以及在这些点之间发生的相变过程。这些相变过程对于合 金的制备、加工和使用具有重要意义，因为它们决定了合 金在不同条件下的力学、物理和化学性质。
二组分系统相图
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液态完全互溶的二组分系统相图
目 录
• 相图概述 • 单组分系统相图 • 二组分系统相图 • 三组分系统相图 • 相图的实验测定方法
相图条件下，描述物质中不同相之间关系的图解。它通过图形和数据 展示物质在不同温度、压力等条件下的相态变化，是研究物质相变规律的重要工 具。
三组分系统相图的分类
简单相图
三个组分之间只发生两两相互作用， 形成两个或三个单相区和一个或两个 双相区。
复杂相图
三个组分之间发生三组分相互作用， 形成多个单相区和多相区，具有更复 杂的相平衡关系。
三组分系统相图的实例分析
实例一
水-盐-烃三组分系统相图在石油工业中的 应用，用于研究油藏中水、盐、烃的相 平衡关系，指导石油开采和分离过程。
VS
实例二
硫酸-水-原料油三组分系统相图在化学工 业中的应用，用于研究硫酸、水和原料油 之间的反应和分离过程，提高生产效率和 产品质量。
相图的实验测定方
05
法
热分析法
差热分析法（DSC）
通过测量物质在加热或冷却过程中温度的变 化，确定物质的状态变化和相变。
热重分析法（TGA）
通过测量物质在加热过程中质量的变化，研 究物质在加热过程中的分解、氧化等反应。
要点一
总结词
描述合金的相图特点
要点二
详细描述
合金的相图是单组分系统相图中的另一种类型，它展示了 合金在不同成分和温度下的相变情况。在相图中，我们可 以看到合金的固溶线、共晶点和包晶点等关键点的位置， 以及在这些点之间发生的相变过程。这些相变过程对于合 金的制备、加工和使用具有重要意义，因为它们决定了合 金在不同条件下的力学、物理和化学性质。
二组分系统相图
03
液态完全互溶的二组分系统相图
相平衡
第四章 相平衡§4.1 引言4.1.1 相图 1、定义用图解的方法来研究（表达）由一种或数种物质所构成的相平衡系统的性质与条件之间的函数关系。
我们把表示这种关系的图叫做相平衡状态图，简称相图。
性质：如沸点、熔点、蒸汽压、溶解度等； 条件：温度、压力及组成等。
2、分类多组分多相系统相平衡的研究有着重要的实际意义。
在金属冶炼、人工合成、分离技术（如溶解、蒸馏、结晶、萃取、凝结等）方面，都运用到关相平衡的知识。
4.1.2 相与相律 1、相律研究多相平衡系统中，相数、独立组分数与描述该平衡系统的变数之间的关系。
它只能作定性的描述，而不能给出具体的数值。
2、相（phase ）系统内部化学组成、物理和化学性质完全均匀的部分称为相。
相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。
4.1.3 多相系统平衡的一般条件在一个封闭的多相系统中，相与相之间可以有热的交换、功的传递和物质的交流。
对具有Φ个相系统的热力学平衡，实际上包含了如下四个平衡： （1）热平衡 （2）力学平衡 （3）相平衡 （4）化学平衡1、热平衡条件设系统有α，β 两个相构成，在系统的组成、总体积和热力学能均不变的条件下，若有微量热自α 相流入β 相，系统总熵变化为S S S αβ=+ d d d S S S αβ=+当系统达平衡时⇒d 0S =⇒d d 0S S αβ+=0Q Q T Tαβδδ-+=⇒T T αβ=当系统达平衡时，两相的温度相等。
同理，可以推广到多相平衡系统。
2、压力平衡条件设系统的总体积为V ，在系统的温度、体积及组成均不变的条件下， 设α 相膨胀了d V α，β 相收缩了d V β当系统达平衡时 d d d 0A A A αβ=+= d d d 0A p V p V ααββ=--=d d V V αβ=-⇒p p βα=当系统达平衡时，两相的压力相等。
同理，可以推广到多相平衡系统。
物质的相态-水的相图(共32张PPT)
现，就立即全部变成冰。
O点 是三相点，气-液-固三
相共存， F 3, f 0。三相点
的温度和压力皆由体系自定。
H2O的三相点温度 为273.16 K，压 力为610.62 Pa。
学习效果检验
1、答复以下问题 〔1〕从水的相图上看，如果想让冰直接升华成水
蒸汽，压力最高不能超过多少？
〔2〕从水的相图可以看出液态水的饱和蒸汽压随 温度的升高而增大还是减小？
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2022/8/19
问题分析
①2g氯化钠投入 100mL水中，搅拌后 静止；
溶液是一相
因为氯化钠溶于水中。
氯化钠电解出的离子与 水分子处于“最均匀〞 的状态。
相数Φ=1；
组分数S=2
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问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
溶液是一相
因为乙醇与水能以任 意比例混溶。
温度和压力都可以在一定限度内变化 不会引起相的改变。
三条两相平衡线 气液、气固、固液，φ=2，
压力与温度只能改变一个，指定了压力，那么温度由体系自 定。
OA 气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不 能任意延长，终止于临界点。临界点 T647K, p2.2107 Pa，这时气-液界面消失。高于临界温 度，不能用加压的方法使气体液化。
乙醇分子与水分子处于 “最均匀〞的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
③20mL的四氯化碳与 80mL去离子水混合并 搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
溶液是两相
因为四氯化碳与水不 相溶。
四氯化碳分子与水分 子不是处于“最均匀 〞的状态。
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O点 是三相点，气-液-固三
相共存， F 3, f 0。三相点
的温度和压力皆由体系自定。
H2O的三相点温度 为273.16 K，压 力为610.62 Pa。
学习效果检验
1、答复以下问题 〔1〕从水的相图上看，如果想让冰直接升华成水
蒸汽，压力最高不能超过多少？
〔2〕从水的相图可以看出液态水的饱和蒸汽压随 温度的升高而增大还是减小？
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问题分析
①2g氯化钠投入 100mL水中，搅拌后 静止；
溶液是一相
因为氯化钠溶于水中。
氯化钠电解出的离子与 水分子处于“最均匀〞 的状态。
相数Φ=1；
组分数S=2
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问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
溶液是一相
因为乙醇与水能以任 意比例混溶。
温度和压力都可以在一定限度内变化 不会引起相的改变。
三条两相平衡线 气液、气固、固液，φ=2，
压力与温度只能改变一个，指定了压力，那么温度由体系自 定。
OA 气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不 能任意延长，终止于临界点。临界点 T647K, p2.2107 Pa，这时气-液界面消失。高于临界温 度，不能用加压的方法使气体液化。
乙醇分子与水分子处于 “最均匀〞的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
③20mL的四氯化碳与 80mL去离子水混合并 搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
溶液是两相
因为四氯化碳与水不 相溶。
四氯化碳分子与水分 子不是处于“最均匀 〞的状态。
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材料学基础第5章三元相图
材料科学基础
第五章
5.6三元相图小结
材料科学基础
第五章
一、单相状态 f＝3－1＋1＝3，而一个温度变量和两个成分变量之间没有任何
相互制约的关系，因此，不论是等温截面还是变温截面，单相区可能具 有多种多样的形状。 二、两相平衡 立体图：共轭曲面。 成分变化：蝶形规则。 等温图：共轭曲线（可用杠杆定律） 变温截面：判定转变温度范围和相转变过程，不能用杠杆定律。 三、三相平衡 立体图：三棱柱，棱边是三个平衡相单变量线。
二、投影图
材料科学基础
第五章
投影图的作用：合金结晶过程分析、相组成物相对量计算、组织组成 物相对量计算。
图8.17 三元共晶相图的投影区
表8.2 各典型区域合金的凝固组织过程及室温组织
材料科学基础
第五章
区
凝固过程
室温组织
Ⅰ
L→α
α
Ⅱ
L→α ，α→βⅡ
α＋βⅡ
Ⅲ
L→α ，α→βⅡ，α β
α＋βⅡ＋γⅡ
(1)当给定合金在一定温度下处于两相平衡状态时，若其中一相的成分 给定，则根据直线法则，另一相的成分点必位于两已知成分点连线的 延长线上。 (2)如果两个平衡相的成分点已知，则合金的成分点必然位于两平衡相 成分点的连线上，根据两平衡相的成分，可用杠杆定律求出合金的成 分。
5.2.2重心定律
x，y，z分别为α，β，γ成分点，则
材料科学基础
第五章
投影图有两种。一种是把空间相图中所有相区间的交线部投影到浓度 三角形中，借助对立体图空间构造的了解，可以用投影图来分析合 金的冷却和加热过程。另一种是把一系列水平截面中的相界线投影 到浓度三角形中。每一条线上注明相应的温度，这样的投影图叫等 温线投影图。等温线可反映空间相图中各种相界面的变化趋势，等 温线越密，表示这个相面越陡。
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课后任务
作业： 4.生活中，用高压锅煮肉会在很短时间内煮的 熟烂，道理是什么？ 5.为什么二氧化碳灭火器使用时喷出的是粉末 而不是液体？
34
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课后任务
下次课要解决的问题： 【问题3-4】生活中常见到炎热的夏天汽车在 高速公路行驶时间长容易爆胎，自行车在夏天 太阳下容易爆胎；氢气球一旦脱离束缚会升空 等等，请说明这些现象的原因。
围绕课程标准
紧密结合教材 方便教师讲课
便于学生理解
第三章 物质的聚集状态 主要内容
饱和蒸汽压和温度——相图或公式
气体——温度、压力、体积和量的关系 溶液——稀溶液、非电解质溶液、电解 质溶液 胶体——物质表面有特性
2
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学习目标
掌握气体、溶 液、胶体等不 同聚集状态物 质的性质
能够利用不同 聚集状态物质 性质指导生产 和生活
学习效果检验
1、回答下列问题 （1）从水的相图上看，如果想让冰直接升华 成水蒸汽，压力最高不能超过多少？ （2）从水的相图可以看出液态水的饱和蒸汽 压随温度的升高而增大还是减小？
（3）水的冰点和三相点有区别吗？
（4）从水的相图上看出OC线的斜率是正还是 负？能说明什么问题？
（1）在水的相图中常常会出现OD线,是水的过冷线。 实验表明,当温度低于0.01℃时,水应该结成冰,但有时往 往不是这样,温度甚至到-20℃ 仍不结冰，这种现象称为
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一、物质的聚集状态——相
如何确定一个系统有几相？ 不论有多少种气体混合，只有一相——气相 根据液体互溶程度可以组成一相、两相或三相 共存。 一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论 混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外， 它是单相）。 2013-8-17
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二、水的相图
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内容总结
1.学会判断一个系统的相数和组分数； 2.学会分析水的相图，利用水的相图解 决实际问题； 3.学会用克-克方程计算不同压力下液体 的沸点。
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课后任务
作业： 1.请查阅二氧化碳单组份系统相图，并与水的 相图进行比较，并解释为什么干冰会直接升华 而不是液化。 2.将玻璃烧杯装满水放在冰柜中冷冻，会将烧 杯“涨破”，为什么？如果烧杯中装的不是水 而是其他液体（例如乙醇），冷冻凝固后会怎 样？
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问题分析
①2g氯化钠投入 100mL水中，搅拌 后静止；
溶液是一相 因为氯化钠溶于水中。 氯化钠电解出的离子与 水分子处于“最均匀” 的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
溶液是一相 因为乙醇与水能以任意 比例混溶。 乙醇分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
物质的聚集状态变化 气化 液化 凝固 升华 熔化
物质的相态——水的相图
【问题】请分析下面几种情况系统是几相 ①2g氯化钠投入100mL水中，搅拌后静止；
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②20mL的乙醇和80mL的去离子水混合并搅 拌后静止； ③20mL的四氯化碳与80mL去离子水混合并 搅拌后静止； ④2mL酚与98mL去离子水混合并搅拌后静止； ⑤2mL去离子水与98mL酚混合并搅拌后静止； ⑥50mL酚与50mL去离子水混合并搅拌后静 止；
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学习效果检验
4.由79%N2和21%O2所组成的空气系统的组分数C, 相数Φ分别为（（1））。 （1）C= 2，Φ=1；（2）C= 2，Φ=2； （3）C= 2，Φ=1；（4）C= 2，Φ=1。 5.水蒸气、水、冰三相平衡共存的点，称为三相点 点，在该点组分数、相数分别为（ （2））。 （1）C= 1，Φ=1；（2）C= 1，Φ=3； （3）C= 2，Φ=3；（4）C= 3，Φ=3。
学会查阅资料， 加强相互合作， 锻炼文字、语 言表达能力。
学习内容
物质的相态——相和相图；饱和蒸汽压和 温度 气体——理想气体、混合气体、实际气体 溶液——稀溶液依数性；非电解质溶液气 液平衡；电解质的电解 胶体——胶体的特殊性质；物质的表面特征
42Leabharlann 13-8-17物质的聚集状态
气态
液态
固态
等离子体
OA 气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不 能任意延长，终止于临界点。临界点 T 647 K , p 2.2 107 Pa ，这时气-液界面消失。高于临界温 度，不能用加压的方法使气体液化。 OB 气-固两相平衡线， 即冰的升华曲线，理论上 可延长至0 K附近。
OC 液-固两相平衡线， 当C点延长至压力大于 2 108 Pa 时，相图变得 复杂，有不同结构的冰 生成。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。 O点 是三相点，气-液-固 三相共存， 3, f 0 。三相 F 点的温度和压力皆由体系自 定。 H2O的三相点温 度为273.16 K， 压力为610.62 Pa。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
③20mL的四氯化碳 与80mL去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
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溶液是两相 因为四氯化碳与水不相 溶。 四氯化碳分子与水分子 不是处于“最均匀”的 状态。
问题分析
④2mL苯酚与98mL 去离子水混合并搅拌 后静止；
溶液是一相 因为苯酚在水中有一定 溶解度。 苯酚分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
⑤2mL去离子水与 98mL酚混合并搅拌 后静止；
溶液是一相 因为水在苯酚中也有一 定的溶解度。 水分子与苯酚分子处于 “最均匀”的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
水的相平衡实验数据表
绘制水的相图
P/Pa
C
A
气-液平衡数据-水在不同 温度的饱和蒸气压
气-固平衡数据-冰在不同 温度的饱和蒸气压
B
D
O
液-固平衡数据-水和冰在 不同温度时的平衡压力
T/K
分析水的相图
水的相图是根据实验绘制的。图上有： 三个单相区 在气、液、固三个 单相区内，φ=1， 温度和压力都可以在一定限度内变 化不会引起相的改变。 三条两相平衡线 气液、气固、固液，φ=2， 压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由 体系自定。
空气中 p H2O p
H2O
相对湿度的概念：相对湿度 =
100%
在一定温度和压力下，任何纯物质达到两相平 H V 衡时，蒸气压随温度的变化率可用下式表示：
dp H dT T V
p2 vap H m 1 1 ln ( ) p1 R T1 T2
学习效果检验
一、选择题 1.铁块与铁粉的混合物相数为（ ） （2） （1）1； （2）2； （3）3； （4）4。 2.在不饱和的NaCl溶液中组分数C, 相数Φ为 （3） （ ）。 （1）2，1；（2）2，2；（3）2，1；（4）2，2。 3.在NaCl固体与饱和的NaCl溶液共存体系中C , 相 数Φ分别为（ ）。 （2） （1）2，1； （2）2，2； （3）2，1；（4）2，2。
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问题分析
⑥50mL苯酚与 50mL去离子水混合 并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
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溶液是两相 因为苯酚与水不完全相 溶。 苯酚分子与水分子不是 处于“最均匀”的状态 。
一、物质的聚集状态——相
上述的“最均匀”的状 相：系统内部物理和化 态是什么？ 学性质完全均匀的部分 相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界 面上宏观性质的改变是飞跃式的——例如问题 ③水和四氯化碳的界面。
t/℃
20 40 60 80 100 120
p*/ kPa
2.338 7.376 19.916 47.343 101.325 198.54
t/℃
20 40 60 78.4 100 120
p*/ kPa
5.671 17.395 46.008 101.325 222.48 422.35
t/℃
20 40 60 80.1 100 120
过冷现象,这种水称为过冷水。过冷水是一种亚稳态， 是热力学上不稳定的状态，在一定条件下会自动结成冰。
（2）三相点的温度(0.01℃)比冰点(0℃)稍高,原因是冰 点为101.325kPa外压下被空气饱和的水的凝固点。空 气溶解在水中,压力由三相点压力增大到101.325kPa,两 者使冰点比三相点的温度0.01℃。
（3）冰水系统的饱和蒸气压随温度上升而下降,与大部
分系统不同。由于一般情况下,冰的体积大于水的体积, 出现这种现象与冰水的特殊结构有关。
下图是二氧化碳的相图，根据相图回答问题
P/Pa
C Ⅰ 固相
Ⅱ 液相 A
(1)分析相图 中区、线、 点的意义。 (2)OC线的 斜率是正还 是负？
O
Ⅲ 气相
B
T/K
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学习效果检验
31
（×）1.粉碎得很细的铜粉和铁粉经过均匀混合后 成为一个相。 （ √ ）2.为了使水在90℃沸腾，可以降低压力，使 其压力在90℃的保证蒸汽压下温度达到90℃即可。 （√ ）3.对于氯化钠的水溶液，温度、压力和浓度 都可以在一定范围内自由变化而不致引起相变化。 （ √ ）4.冰在压力低于610.62Pa（水的三相点压力） 升温时可以升华。 （ √ ）5.从水的相图看，水结冰后体积会变大。
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课后任务
作业： 4.生活中，用高压锅煮肉会在很短时间内煮的 熟烂，道理是什么？ 5.为什么二氧化碳灭火器使用时喷出的是粉末 而不是液体？
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课后任务
下次课要解决的问题： 【问题3-4】生活中常见到炎热的夏天汽车在 高速公路行驶时间长容易爆胎，自行车在夏天 太阳下容易爆胎；氢气球一旦脱离束缚会升空 等等，请说明这些现象的原因。
围绕课程标准
紧密结合教材 方便教师讲课
便于学生理解
第三章 物质的聚集状态 主要内容
饱和蒸汽压和温度——相图或公式
气体——温度、压力、体积和量的关系 溶液——稀溶液、非电解质溶液、电解 质溶液 胶体——物质表面有特性
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学习目标
掌握气体、溶 液、胶体等不 同聚集状态物 质的性质
能够利用不同 聚集状态物质 性质指导生产 和生活
学习效果检验
1、回答下列问题 （1）从水的相图上看，如果想让冰直接升华 成水蒸汽，压力最高不能超过多少？ （2）从水的相图可以看出液态水的饱和蒸汽 压随温度的升高而增大还是减小？
（3）水的冰点和三相点有区别吗？
（4）从水的相图上看出OC线的斜率是正还是 负？能说明什么问题？
（1）在水的相图中常常会出现OD线,是水的过冷线。 实验表明,当温度低于0.01℃时,水应该结成冰,但有时往 往不是这样,温度甚至到-20℃ 仍不结冰，这种现象称为
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一、物质的聚集状态——相
如何确定一个系统有几相？ 不论有多少种气体混合，只有一相——气相 根据液体互溶程度可以组成一相、两相或三相 共存。 一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论 混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外， 它是单相）。 2013-8-17
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二、水的相图
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内容总结
1.学会判断一个系统的相数和组分数； 2.学会分析水的相图，利用水的相图解 决实际问题； 3.学会用克-克方程计算不同压力下液体 的沸点。
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课后任务
作业： 1.请查阅二氧化碳单组份系统相图，并与水的 相图进行比较，并解释为什么干冰会直接升华 而不是液化。 2.将玻璃烧杯装满水放在冰柜中冷冻，会将烧 杯“涨破”，为什么？如果烧杯中装的不是水 而是其他液体（例如乙醇），冷冻凝固后会怎 样？
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问题分析
①2g氯化钠投入 100mL水中，搅拌 后静止；
溶液是一相 因为氯化钠溶于水中。 氯化钠电解出的离子与 水分子处于“最均匀” 的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
②20mL的乙醇和 80mL的去离子水混 合并搅拌后静止；
溶液是一相 因为乙醇与水能以任意 比例混溶。 乙醇分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
物质的聚集状态变化 气化 液化 凝固 升华 熔化
物质的相态——水的相图
【问题】请分析下面几种情况系统是几相 ①2g氯化钠投入100mL水中，搅拌后静止；
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②20mL的乙醇和80mL的去离子水混合并搅 拌后静止； ③20mL的四氯化碳与80mL去离子水混合并 搅拌后静止； ④2mL酚与98mL去离子水混合并搅拌后静止； ⑤2mL去离子水与98mL酚混合并搅拌后静止； ⑥50mL酚与50mL去离子水混合并搅拌后静 止；
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学习效果检验
4.由79%N2和21%O2所组成的空气系统的组分数C, 相数Φ分别为（（1））。 （1）C= 2，Φ=1；（2）C= 2，Φ=2； （3）C= 2，Φ=1；（4）C= 2，Φ=1。 5.水蒸气、水、冰三相平衡共存的点，称为三相点 点，在该点组分数、相数分别为（ （2））。 （1）C= 1，Φ=1；（2）C= 1，Φ=3； （3）C= 2，Φ=3；（4）C= 3，Φ=3。
学会查阅资料， 加强相互合作， 锻炼文字、语 言表达能力。
学习内容
物质的相态——相和相图；饱和蒸汽压和 温度 气体——理想气体、混合气体、实际气体 溶液——稀溶液依数性；非电解质溶液气 液平衡；电解质的电解 胶体——胶体的特殊性质；物质的表面特征
42Leabharlann 13-8-17物质的聚集状态
气态
液态
固态
等离子体
OA 气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不 能任意延长，终止于临界点。临界点 T 647 K , p 2.2 107 Pa ，这时气-液界面消失。高于临界温 度，不能用加压的方法使气体液化。 OB 气-固两相平衡线， 即冰的升华曲线，理论上 可延长至0 K附近。
OC 液-固两相平衡线， 当C点延长至压力大于 2 108 Pa 时，相图变得 复杂，有不同结构的冰 生成。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。 O点 是三相点，气-液-固 三相共存， 3, f 0 。三相 F 点的温度和压力皆由体系自 定。 H2O的三相点温 度为273.16 K， 压力为610.62 Pa。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
③20mL的四氯化碳 与80mL去离子水混 合并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
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溶液是两相 因为四氯化碳与水不相 溶。 四氯化碳分子与水分子 不是处于“最均匀”的 状态。
问题分析
④2mL苯酚与98mL 去离子水混合并搅拌 后静止；
溶液是一相 因为苯酚在水中有一定 溶解度。 苯酚分子与水分子处于 “最均匀”的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
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问题分析
⑤2mL去离子水与 98mL酚混合并搅拌 后静止；
溶液是一相 因为水在苯酚中也有一 定的溶解度。 水分子与苯酚分子处于 “最均匀”的状态。
相数Φ=1； 组分数S=2
水的相平衡实验数据表
绘制水的相图
P/Pa
C
A
气-液平衡数据-水在不同 温度的饱和蒸气压
气-固平衡数据-冰在不同 温度的饱和蒸气压
B
D
O
液-固平衡数据-水和冰在 不同温度时的平衡压力
T/K
分析水的相图
水的相图是根据实验绘制的。图上有： 三个单相区 在气、液、固三个 单相区内，φ=1， 温度和压力都可以在一定限度内变 化不会引起相的改变。 三条两相平衡线 气液、气固、固液，φ=2， 压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由 体系自定。
空气中 p H2O p
H2O
相对湿度的概念：相对湿度 =
100%
在一定温度和压力下，任何纯物质达到两相平 H V 衡时，蒸气压随温度的变化率可用下式表示：
dp H dT T V
p2 vap H m 1 1 ln ( ) p1 R T1 T2
学习效果检验
一、选择题 1.铁块与铁粉的混合物相数为（ ） （2） （1）1； （2）2； （3）3； （4）4。 2.在不饱和的NaCl溶液中组分数C, 相数Φ为 （3） （ ）。 （1）2，1；（2）2，2；（3）2，1；（4）2，2。 3.在NaCl固体与饱和的NaCl溶液共存体系中C , 相 数Φ分别为（ ）。 （2） （1）2，1； （2）2，2； （3）2，1；（4）2，2。
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问题分析
⑥50mL苯酚与 50mL去离子水混合 并搅拌后静止；
相数Φ=2； 组分数S=2
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溶液是两相 因为苯酚与水不完全相 溶。 苯酚分子与水分子不是 处于“最均匀”的状态 。
一、物质的聚集状态——相
上述的“最均匀”的状 相：系统内部物理和化 态是什么？ 学性质完全均匀的部分 相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界 面上宏观性质的改变是飞跃式的——例如问题 ③水和四氯化碳的界面。
t/℃
20 40 60 80 100 120
p*/ kPa
2.338 7.376 19.916 47.343 101.325 198.54
t/℃
20 40 60 78.4 100 120
p*/ kPa
5.671 17.395 46.008 101.325 222.48 422.35
t/℃
20 40 60 80.1 100 120
过冷现象,这种水称为过冷水。过冷水是一种亚稳态， 是热力学上不稳定的状态，在一定条件下会自动结成冰。
（2）三相点的温度(0.01℃)比冰点(0℃)稍高,原因是冰 点为101.325kPa外压下被空气饱和的水的凝固点。空 气溶解在水中,压力由三相点压力增大到101.325kPa,两 者使冰点比三相点的温度0.01℃。
（3）冰水系统的饱和蒸气压随温度上升而下降,与大部
分系统不同。由于一般情况下,冰的体积大于水的体积, 出现这种现象与冰水的特殊结构有关。
下图是二氧化碳的相图，根据相图回答问题
P/Pa
C Ⅰ 固相
Ⅱ 液相 A
(1)分析相图 中区、线、 点的意义。 (2)OC线的 斜率是正还 是负？
O
Ⅲ 气相
B
T/K
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学习效果检验
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（×）1.粉碎得很细的铜粉和铁粉经过均匀混合后 成为一个相。 （ √ ）2.为了使水在90℃沸腾，可以降低压力，使 其压力在90℃的保证蒸汽压下温度达到90℃即可。 （√ ）3.对于氯化钠的水溶液，温度、压力和浓度 都可以在一定范围内自由变化而不致引起相变化。 （ √ ）4.冰在压力低于610.62Pa（水的三相点压力） 升温时可以升华。 （ √ ）5.从水的相图看，水结冰后体积会变大。