材料热力学绪论.ppt

材料热力学,顾少轩 二零零九年,绪 论,一、材料热力学的研究对象 二、几个基本概念 三、教学内容 教材及参考书目,绪论,一、材料热力学的研究对象,热力学的基本内涵、基础及应用 热力学研究的对象 宏观热力学 统计热力学 现代材料热力学及其应用,绪论,热力学的基本内涵、基础及应用,基本内涵：以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。 基础：热力学三大定律。 广泛应用于许多学科中(如机械、化学等)，材料热力学是化学热力学引伸，材料热力学的任务是以固体材料为例，说明热力学基本原理的应用。,绪论,热力学研究的对象,热力学研究的对象是大量质点组成的宏观体系。 它只考虑体系中质点的平均性质，而不涉及物质内部的复杂结构和质点的微观运动状态； 它只考虑体系从一个状态转变到另一个状态，而不涉及过程的机制和所需的时间，是平衡理论。 因此，热力学是研究物质宏观性质的科学，又称宏观热力学。,绪论,宏观热力学,宏观热力学的优点：导出的结论有高度的可靠性和广泛的普遍性。 宏观热力学的局限性：只能回答过程变化的可能性和限度，不能解决过程进行所需要的时间、内在原因和变化机制。,绪论,统计热力学,概念：宏观热力学与统计物理学的结合。 统计物理学：物质由大量粒子组成，应用力学规律对粒子的微观量求统计平均值，从而计算出体系的宏观性质。,现代材料热力学及其应用,研究内容：将宏观热力学与统计热力学结合起来，应用热力学的基本原理，分析说明材料中的各种热力学现象，揭示材料中相和组织的形成规律。 应用：给出系统相平衡的条件和相的状态； 绘制相图； 材料的结构缺陷； 材料中的相变；,绪论,1876年，Gibbs相律经典热力学的里程碑； 1879年，H.Roozeboom将相律应用到了多组元系统； 随后，Rober-Austen实验构建了Fe-Fe3C相图的最初的合理形式，使钢铁材料研究有理论支撑； 20世纪初，G.Tamman实验建立了大量金属相图； 随后，经验性溶体理论、自由能理论建立了材料有序性的微观认识； 50年代初，R.Kikuchi提出了熵描述的现代统计理论； 60年代初，M.Hillert研究非平衡系统热力学失稳分解； 70年代，L.Kaufman和M.Hillert提出相图热力学计算步入材料设计时代；,热力学在材料中的应用,绪论,传统热力学以研究平衡态为主，然而，许多现象涉及非平衡态，这时，就涉及非平衡态热力学。,非平衡态热力学,绪论,线性非平衡态热力学：引起偏离平衡态的各种热力学力比较小，由“力”所产生的各种热力学“流”与“力”之间遵从线性关系。 其理论基础：热力学第一、第二定律， “流”与“力”之间的经验规律，一些假设。,非线性非平衡态热力学：有“耗散结构理论”和“协同学”，但都是初步的理论。,体系和环境 状态和状态函数 过程和途径 容量性质和强度性质 理想气体的状态方程,二、几个基本概念,绪论,体系：把所研究的物体从其周围划分出来的研究对象；由大量微观粒子所组成的（1020个或更多） 环境：对体系有影响的周围事物； 体系的分类：敞开物系（能量和物质） 封闭物系（能量） 孤立物系,体系和环境,绪论,状态：一个体系的性质的总和确定了体系的状态。 状态变量：易于测量的宏观性质。如，压强、体积。 状态函数：体系的性质互相制约的函数关系式。如内能、焓、熵、自由能等。温度是热力学中特有的变量，可以直接测量，即是状态变量、又是态函数。,状态和状态函数,绪论,平衡态：在没有外界影响的条件下，物体各部分的性质长时间内不发生任何变化的状态。是动态平衡 驰豫：在一定的条件下，初始不处于平衡态的系统，经过一段时间，必将趋近于平衡态。,含义：状态的任何变化都构成一定的过程，特定的过程即途径。 举例：始态和终态不变，但途径不同。 几个结论：状态确定时，状态函数具有确定的单一数值； 状态函数的增量只与始态和终态有关，而与所取的路径无关； 体系经历循环过程后，其状态函数的增量为0。,过程和途径,绪论,容量性质：与物质量有关的性质，如质量、体积，具有加和性； 强度性质：与物质量无关的性质，如温度、压强，无加和性； 容量性质中物质的数量为单位量时，容量性质就变为强度性质，如摩尔体积；,容量性质和强度性质,绪论,理想气体的状态方程,绪论,PV=nRT,范德瓦耳斯气体方程、昂尼斯气体方程等,第一章 热力学第一定律、第二定律和第三定律 第二章 溶液和统计热力学过程和途径 第三章 单元系中的相平衡 第四章 相图热力学 第五章 相变热力学 第六章 化学平衡热力学 第七章 材料中的一些物理现象的热力学分析,三、教学内容,绪论,教材：材料热力学，徐祖耀、李麟主编，科学出版社，2000 参考书目： （1）材料热力学江伯鸿编著，上海市教育委员会组编，上海交通大学出版社，1999 （2）物理化学，廖兴树,董习靖编，天津大学出