材料热力学 课件 1-第一章 基本知识-1

任课教师：王锦程Office：友谊校区创新大厦1318Telmail：jchwang@

材料热力学是材料学科的一门重要基础课程，与物理系的“热力学与统计物理”和化学系的“化学热力学”三足鼎立。材料热力学是世界一流大学材料专业的必修课，MIT在1960年代设立材料科学系时，材料热力学是其教学计划中专业课的第一门课程。材料热力学晶体学固体化学固体物理动力学课程的重要性材料科学基础课程2/36热力学三大定律界面热力学、溶液热力学相图热力学、相变热力学概念抽象、难以理解公式推导多、适用条件复杂与实际的材料研究问题关系密切课程特点课程内容学习方法对每一个基本概念和定义反复思考、抓住本质对基本公式和结论要掌握其来龙去脉和前提条件掌握处理问题的基本方法和高质量完成一定数量的习题课程主要内容及特点3/36材料热力学课程组，《材料热力学》，2023，机械工业出版社徐祖耀、李麟，材料热力学，2005(第三版），科学出版社沈文霞，物理化学核心教程，2009(第二版)，科学出版社朱文涛，清华大学，基础物理化学(上册)，2011，清华大学出版社

主要参考书4/36W.C.Carter,Thermodynamicsofmaterials,2002(MIT材料系本科课程)/3.00/index.html.朱文涛《基础物理化学》讲课视频/video/av4908315/吴锵《材料物理化学》讲课视频

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提取码:m5jb西北工业大学《材料热力学》MOOC（异步SPOC）

/course/NWPU-1207047801主要参考材料5/36王锦程李俊杰第7周周末期中考试第11-16周《材料热力学实验》（配套课程）课程安排8.相图的热力学分析与计算9.相变热力学11.界面热力学6.多元系统热力学II-化学势表达式及其应用7.相平衡状态图基础知识应用拓展1.基本知识2.热力学第一定律3.热力学第二、三定律4.热力学函数及基本关系式5.多元系统热力学I-基本热力学描述材料热力学6/36平时成绩30%（作业15分+SPOC成绩10分+课堂表现5分）期中考试20%期末考试50%考核作业课间答疑QQ答疑（QQ群：931530131、腾讯在线文档）考试前集中答疑答疑课程安排、作业、答疑及考核电子版、全部批改课程安排7/361.1热力学简介1.2热力学基本概念1.3气体概述1.4浓度的表示方法1.5热力学中常用的数学知识第一章基本知识8/36热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉——恩格斯人们很早就发现做功能使物体发热，但很晚才明白让热的物体冷却可用来做功蒸汽机的发展极大促进了热力学的发展太阳辐射能化学反应机械作用热力学的引出9/36动力(Power,energy,forceormotioninrelationtoforce)1849年Kelvin首次使用Thermodynamics一词热力学Thermodynamics=Thermo+Dynamics热(Heat)热力学的最初任务：热与功的关系热力学(Thermodynamics)：过程的可能性动力学(Kinetics)：过程的现实性热力学的引出LordKelvin(1824-1907)WilliamThomson10/36

热力学的特点：

热力学的基本任务：(1)方向(2)限度(3)能量转换(4)宏观性质热力学的任务与特点11/36特点局限性解决办法宏观方法只适用于粒子数很多的宏观系统不考虑物质的微观结构不追求微观机制和本质分子运动论统计热力学非平衡热力学不能处理非平衡问题不涉及时间因素平衡态经典热力学的局限性12/360thLaw⇒定义温度(T)

1stLaw⇒定义能量(U)2ndLaw⇒定义熵(S)

3rdLaw⇒给出熵的数值

热力学基本定律13/36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。热力学是具有最大普遍性的一门科学，不提出任何一个特殊模型，可应用于任何宏观物质系统。至今未发现过实践中与热力学理论所得结论相反的情况。JWattSCarnotJPJouleRMayerRClausiusLKelvinMPlanckLBoltzmannJWGibbsJCMaxwellACelsiusHelmholtzThermodynamicsofMaterials热力学的发展历史14/36平衡态热力学非平衡态热力学经典热力学

统计热力学热力学工程热力学化学热力学材料热力学……热力学的分类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。借助统计物理学，深入涉及分子（或原子）微观态的各种热运动。15/36工程热力学

应用于机械工程的物理化学化学热力学(物理化学)

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。经典热力学的衍生16/361873GraphicalMethodsintheThermodynamicsofFluids相律相图Gibbs自由能化学势JosiahWillardGibbs1839-1903材料热力学的诞生1878OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstancesAcopyoftheplastermodelsentbyMaxwelltoGibbs,heldbyYale'sPeabodyMuseumofNaturalHistory.“Thegreatestmind

inAmericanhistory”ByRichardPanek17/36获得满足某种特殊性能或用途的、具有最佳显微组织的材料。Structure/Composition结构/成分Properties性质/性能Processing加工工艺Performance服役性能研究各种材料的组成、结构(组织)、制备加工工艺、材料性能和使用效能以及它们之间关系的科学。材料科学的核心任务18/36材料科学的四个重要概念和共性问题：性能、结构(组织)、过程和能量材料性能决定于组织结构，而结构决定于能量和过程材料研究从形式和目的上来看是研究材料的结构和性能，而从根本上讲是研究材料的能量和过程，即热力学和动力学。性能结构(组织)能量（热力学）过程（动力学）材料科学与材料热力学材料热力学是材料科学的重要基础和工具方法。19/361.1热力学简介1.2热力学基本概念1.3气体概述1.4浓度的表示方法1.5热力学中常用的数学知识第一章基本知识20/36环境(surroundings)：与系统密切相关、影响所能及的部分称为环境边界(boundary)：刚性边界，不作功；气密边界，不传质；绝热边界，不传热系统(system)：研究的对象(大量分子、原子、离子等物质微粒组成的宏观集合体)。人为地将所研究的一定范围内的物体或空间与其余部分分开，作为研究的对象。系统和环境21/36

绝热壁水水蒸气

孤立系统水为封闭系统液态水为开放系统系统和环境系统的分类22/36热平衡—系统各部分的温度相等；若系统不是绝热的，则系统与环境的温度也要相等。力平衡—系统各部分的压力相等；系统与环境的边界不发生相对位移。相平衡—系统所含有各相的性质和数量均不随时间而变。化学平衡—若系统各物质间可以发生化学反应，则达到平衡后，系统的组成不随时间改变。定义：系统在一定环境条件下，经足够长的时间，其各部分可观测到的宏观性质都不随时间而变，此时系统所处的状态叫热力学平衡态。热力学平衡态系统内部平衡系统与环境平衡平衡态(equilibrium)稳态(steadystate)ABABC平衡态稳态23/36稳态不一定满足系统与环境间的平衡温度、压力、物质的量、体积

系统具有的外在宏观表现形式状态函数：状态方程:系统的宏观性质状态:

状态和状态函数系统状态函数之间的定量关系式无组分变化的均相系统

双独立变量系统24/36状态函数：系统的宏观性质系统的诸多性质中只有部分是独立的，即某一性质是其他性质的函数。状态确定时，状态函数具有确定单一数值。状态函数的增量与路径无关。系统经过循环后，其状态函数的增量为零。状态函数在数学上具有全微分的性质。状态和状态函数

25/36

与偏微分不同，全微分反映了函数关于其所有自变量的线性近似，而非单个自变量。在微积分中，函数在某一点的全微分是指该函数在该点附近的变化关于其自变量的最佳线性近似。

多元函数的全微分等于其各个偏微分之和状态和状态函数26/36广度性质（extensiveproperties）

又称为容量性质，数值与系统的物质的量成正比，如体积、质量、熵等，有加和性，一次齐函数。强度性质（intensiveproperties）

其数值取决于系统自身的特点，与系统的数量无关，无加和性，如温度、压力等，零次齐函数。指定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩尔体积。与系统的尺寸和范围无关，如温度、压强、粘度、密度等。与系统的尺寸和范围有关，具有加和性，如质量、体积、内能、熵等。广度性质和强度性质

27/36下列说法正确的是状态给定后，状态函数就有定值；所有状态函数固定后，状态也就固定了。系统状态函数的变化不仅取决于系统初、末状态，还与变化过程有关。热力学状态函数一定是平衡条件下的性质。ABC提交状态改变后，状态函数一定都改变。D经循环过程，状态函数的值不变。E状态函数有加和性。F多选题1分28/36过程(process)从始态到终态的具体步骤称为途径。在一定的环境条件下，系统发生了一个从始态到终态的变化，称为系统发生了一个热力学过程。途径(path)按系统内部物质变化分简单物理过程：p、V、T变化复杂物理过程：相变、混合等化学过程：化学反应等过程与途径29/36过程与途径等温过程（Isothermalprocess)

等压过程（Isobaricprocess)

等容过程（Isochoricprocess)

绝热过程（Adiabaticprocess)

变化过程中，系统与环境不发生热的传递

循环过程（Cyclicprocess)系统从始态出发，经过一系列变化后又回到了始态的变化过程

按过程特点分30/36饱和蒸汽压在密闭环境和一定温度的条件下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为该固体或液体在该温度时的饱和蒸气压饱和蒸气压是物质自身的性质，其数值随温度的变化而变化；同一物质的饱和蒸气压随着温度的上升而迅速增加；固态的饱和蒸气压小于液态的饱和蒸气压。31/36相与相图相：系统中物理和化学性质完全均匀的部分。在材料科学中，通常是指具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。相与相之间有明显的界面，且其宏观性质在界面上跳跃式改变。气态仅有一种相，液态或固态可能有多种相材料热力学：揭示材料中的相(Phase)和组织(Structures)的形成规律。32/36组织：材料中有若干相以一定的数量、形状、尺寸组合而成的并且具有独特形态的部分。形态：枝晶组织、晶粒组织