材料热力学 课件 21-第七章 相平衡状态图3

任课教师：李俊杰Office：西工大创新大厦1316Telmail：lijunjie@

杠杆定律一元系的相图三个区：气、液、固单相区三条线：两相平衡共存一个点：气-液-固三相共存上节回顾2/29

水的相图水冰水蒸气

超临界水

三相点不是冰点AB液相线气相线

lg

T=常数

二元系气-液相图上节回顾关键：两相共存的线a

CD物系点3/29glAB

g-lE

气相线液相线

相点bc

第七章相平衡状态图4/297.1绪论7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相图概述7.5二元系气-液相图7.6二元系液-液相图7.7二元系固-液相图7.8二元系复杂相图识别的一般方法理想溶液非理想溶液杠杆定律7.5二元系气-液相图5/297.5.3杠杆定律

Cg

AB

DE

n(l)n(g)gassln某物系C(A-B二组分)液相及气相的物质的量n(l)和n(g)？

杠杆定律

气相线液相线g-l平衡6/29

实质：物质守恒，适用于任意两相区适用于任意满足物质守恒的场合7.5.3杠杆定律

Cg

AB

DE

气相线液相线

杠杆定律名称：

横坐标wB意义：若以CE代表n(l)，则CD代表n(g)横坐标xB以物系点C为支点，DE为杠杆两端悬挂两相，杠杆平衡7/29

第七章相平衡状态图8/297.1绪论7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相图概述7.5二元系气-液相图7.6二元系液-液相图7.7二元系固-液相图7.8二元系复杂相图识别的一般方法7.6.1两种液体混合分类两种液体混合完全互溶完全不互溶部分互溶苯—甲苯水—硝基苯水—异丁醇水—苯胺水—油水—乙醇9/29两种液体部分互溶实验8.5%8.5%8.5%83.6%83.6%83.6%0%8.5%0<wB<8.5%醇的水溶液8.5％<wB<83.6%共轭溶液83.6%<wB<100%水的醇溶液20℃100℃0<wB<9.3%9.3％<wB<70.2%70.2%<wB<100%120℃0<wB<14%14％<wB<61.5%61.5%<wB<100%在一个大气压及一定温度下，往水中逐渐加醇例如水(A)－异丁醇(B)83.6%100%7.6.2部分互溶双液体系10/29相图绘制与分析(5)其他情况：(1)132.8℃：

最高临界溶解温度(4)相图特点：形状(3)ce线：醇在水中的溶解度曲线cf线：水在醇中的溶解度曲线(6)高温区域的相平衡情况如何？(7)固-固体系有类似相图7.6.2部分互溶双液体系T水(A)异丁醇(B)wB→l**⊙△△⊙100℃20℃120℃l1+l237％cef(2)单相区：cef曲线以外的区域两相区：cef曲线以内的区域MNO132.8℃11/2912/29水(A)－异丁醇(B)相图如下，物系点为O的系统平衡时，醇浓度大的溶液质量是醇浓度小的溶液质量的几倍：1倍2倍0.5倍3倍ABCD提交水(A)异丁醇(B)l100℃20℃120℃132.8℃e

TwB80℃60℃40℃O

单选题1分第七章相平衡状态图13/297.1绪论7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相图概述7.5二元系气-液相图7.6二元系液-液相图7.7二元系固-液相图7.8二元系复杂相图识别的一般方法形成简单低共熔混合物的相图形成化合物的相图形成固溶体的相图7.7二元系固-液相图14/29形成简单低共熔混合物体系特点液相完全互溶，而固相完全不互溶常见体系：Bi(铋)-Cd(镉)、Pb(铅)-Sb(锑)、Sn-Zn、Cu-Bi7.7.1形成简单低共熔混合物的相图如有相变，将伴随相变热的释放，冷却曲线斜率发生突变，冷却曲线上出现转折高温熔体缓慢冷却过程中，

若没有相变发生，则体系温度均匀降低，冷却曲线是光滑连续通过冷却曲线斜率的变化判断体系的变化缓慢冷却，可近似认为时刻保持相平衡

cba相图绘制方法——热分析法原理：15/29具体方法：配制一系列不同组成的试样，将试样加热至完全熔化以上某温度，保温、至体系达到平衡然后缓慢冷却，并记录冷却过程中温度随时间的变化曲线，绘制冷却曲线(步冷曲线)再将冷却曲线中多相平衡信息（温度-组成）在相图中标出7.7.1形成简单低共熔混合物的相图连接相关相点，即得二组分体系温度-组成相图16/297.7.1形成简单低共熔混合物的相图Bi-Cd二元相图绘制1.加热到1点，Bi全部熔化2.冷至2点,固体Bi开始析出温度可以下降温度不能改变，为Bi熔点3.全部变为固体Bi后温度又可以下降纯Bi的步冷曲线

2点4.做T-x相图中可用：

17/297.7.1形成简单低共熔混合物的相图

2.冷至2点，固体Bi开始析出温度可以下降温度可以下降3.冷至3点固体Bi、Cd同时析出温度不能改变4.到4点溶液消失，Bi和Cd共存温度又可下降

2点5.做T-x相图中可用：18/297.7.1形成简单低共熔混合物的相图1.加热到1点，Bi、Cd全部熔化2.冷至2点，Bi和Cd同时析出温度可以下降温度不能改变3.到3点，溶液消失，Bi和Cd共存温度又可下降

2点4.做T-x相图中可用：19/2920/29596KGN413KB546K

time溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)Bi试样平衡温度平衡相（浓度）

Cd00.20.40.60.81wCd→ACEMHF纯Bi546K纯液体Bi(wCd=0)+纯固体Bi(wCd=0)Cd质量分数0.2480K溶液(wCd=0.2)+纯固体Bi(wCd=0)Cd质量分数0.4413K溶液(wCd=0.4)+纯固体Bi(wCd=0)+纯固体Cd(wCd=1)Cd质量分数0.7500K溶液(wCd=0.7)+纯固体Cd(wCd=1)纯Cd596K纯液体Cd(wCd=1)+纯固体Cd(wCd=1)7.7.1形成简单低共熔混合物的相图7.7.1形成简单低共熔混合物的相图Bi-Cd二元相图分析NEM线，Bi(s)+溶液+Cd(s)溶液

纯固体Bi+纯固体Cd

TE

共晶转变三相区：低共熔转变

三相相点：N，E，M单相区：AEH线之上，溶液(l)

ANQ线，固体Bi(s)HMW线，固体Cd(s)

溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)0.20.40.60.8wCd→CEHF546K413K596KANE

区，Bi(s)+溶液(l)HEM

区，Cd(s)+溶液(l)NEM线以下，Bi(s)+Cd(s)两相区：

21/29Bi0ANBQCd1MGW7.7.1形成简单低共熔混合物的相图ACE线：与Bi(s)平衡共存的溶液组成HFE线：与Cd(s)平衡共存的溶液组成两条液相线两条固相线ABN线：与溶液平衡共存的Bi(s)HGM线：与溶液平衡共存的Cd(s)三个特殊点A点是纯Bi(s)的熔点H点是纯Cd(s)的熔点E点是所有A+B混合物中熔点最低，称为低共熔点(共晶点)E点析出的混合物称为低共熔混合物（共晶）E点的温度会随外压的改变而改变22/29溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)0.20.40.60.8wCd→CEHF546K413K596KBi0ANBQCd1MGW冷却过程分析C点以上：单一液相冷却，f*=2；C点：溶液开始析出固体Cd，冷却曲线出现转折，f*=1；C点至K点：温度不断降低，溶液中不断析出固体Cd，液相组成沿CE线变化，f*=1；K点：温度下降到共晶温度TE，液相组成为E点，液相中同时析出固体Cd和固体Bi，三相共存，体系温度保持不变，冷却曲线出现平台，f*=0

;K点以下：液相全部凝固，固体Cd和固体Bi的两相混合物继续冷却，温度重新开始下降，f*=1;

7.7.1形成简单低共熔混合物的相图ll+s(Cd)l+s(Cd)+s(Bi)

WCKW's(Cd)+s(Bi)23/29相含量计算方法：找到物系点、相点，利用杠杆定律7.7.1形成简单低共熔混合物的相图体系降温到达O点：物系点为O，溶液和固体Cd的质量之比为：

上述体系降温刚到413K

固体Cd和固体Bi的质量之比：

物系点为K，溶液和固体Cd的质量之比为：上述体系在413K共晶转变刚结束相点为E和M相点为N和M，相点为F和D24/29FDO思考：单独析出的固体Cd与共晶转变生成的固体Cd质量之比是多少？冰+溶液溶液T/K把粗盐在高温度下配制成溶液a，滤除不溶性杂质；溶液降温至b时，开始析出纯(NH4)2SO4晶体；降温到接近三相线的c点时，取出(NH4)2SO4晶体；将饱和溶液d重新升温至e，又变为不饱和溶液；加入粗盐，使物系点回到a，重复上述操作；7.7.1形成简单低共熔混合物的相图简单低共熔混合物相图应用I——重结晶法提纯粗盐25/29Hall-Heronlt法(霍尔-赫罗尔特)铁坩埚(阴极)石墨阳极电阻炉石墨坩埚电解质液态铝电解槽示意图加热电解槽，形成液态熔融电解质；石墨阳极浸入电解质中，铁坩埚-石墨坩埚形成阴极；直流电作用下，电解质中Al3+向阴极迁移，在阴极得到电子，还原成液态金属铝；阳极极发生氧化反应生成CO2；电解质原材料如何选择？7.7.1形成简单低共熔混合物的相图简单低共熔混合物相图应用II——熔盐电解法制备铝26/29Na3AlF6冰晶石(Na3AlF6)—氧化铝(Al2O3)相图

铝土矿：氧化铝(Al2O3)含量40-70%

选择冰晶石(Na3AlF6)+氧化铝(Al2O3)熔盐做为电解质7.7.1形成简单低共熔混合物的相图简单低共熔混合物相图应用II——熔盐电解法制备铝27/29Al2O3Na3AlF6工业电解槽中温度比电解质熔点高10~20oC，一般约在970~980oC；Al2O3在电解质中的浓度控制在共晶成分附近稍偏I区；Al2O3浓度增高有利电解过程中得到更多的Al；Al2O3浓度增高，融盐的熔化温度急增，电能消耗大；Al2O3浓度增高，如温度稍有降低，Al2O3就以固态析出，不利于电解；7.7.1形成简单低共熔混合物的相图简单低共熔混合物相图应用II——熔盐电解法制备铝冰晶石(Na3AlF6)—氧化铝(Al2O3)相图28/29Al2O3掌握杠杆定律计算两相含量的方法。掌握部分混溶