thermodynamicsofmaterials材料熱力學

1、THERMODYNAMICS OF MATERIALS材料熱力學,陳建宏 教授Mon. 15:10-17:00Fri. 13:10-14:00,BOOK,書名:Introduction to the thermodynamics of materials 5/e, 作者:David R. Gaskell, 出版社:Taylor & Francis /偉明 ISBN:1-5916-9043-9書名:材料熱力學 3/e,

2、作者:蔡希杰 編譯, 出版社:偉明, ISBN:957-30084-5-9,2,評分,期中考 (30%)期末考 (30%)課堂小考及習題 (25%)出席率 (15%),3,簡介,討論熱行為有三門:熱力學(Thermodynamics)：為探討環(huán)境對一已知系統(tǒng)支平衡狀態(tài)的影響，即系統(tǒng)在能量(溫度)改變下的行為。動力學(Kinetic Theory)：為探討系統(tǒng)隨時間改變下的行為。統(tǒng)計力學(Statictical Mechani

3、es)：為探討系統(tǒng)變化過程中的趨勢現(xiàn)象。熱力學是一門相當重要的工程學科可提供預測任何材料之平衡狀態(tài)。熱力學是用來探討系統(tǒng)內在環(huán)境的作用下的變化及評估體系的進行方向。,4,熱力學及統(tǒng)計力學只能用於平衡狀況，無法預測反應的速率。液態(tài)金屬與氣態(tài)平衡共存時，原子自液態(tài)進入氣態(tài)與其相反方向的個數(shù)相同=>氣相的原子濃度與時間無關，亦即蒸氣壓不隨時間改變---平衡狀態(tài)系統(tǒng)。此時熱力學與統(tǒng)計力學可提供蒸氣壓隨溫度變化的關係。反應

4、速率則藉助動力論但若系統(tǒng)置於抽真空容器中，金屬蒸氣一形成便抽走，原子離開液體的速率大於返回液體的速率，平衡狀態(tài)不存在，熱力學及統(tǒng)計力學應用上不需靠動力學討論金屬原子以多快的速度蒸發(fā)。,5,Ch1~Ch7名詞的介紹與定義熱力學第一定律熱力學第二定律熵焓熱容量熱力學第三定律單成分系統(tǒng)中相平衡,6,CHAPTER 1,Introduction and definition of terms緒論與名詞的定義,系統(tǒng)(SYS

5、TEM),系統(tǒng)為用來定義討論一具有定量之物質或是空間中之區(qū)域封閉系統(tǒng)：沒有質量交換的體系(可以能量交換)孤立系統(tǒng)：沒有質量與能量交換的體系開放系統(tǒng)：質量與能量皆可交換的體系均質系統(tǒng)：單相或均勻混合的體系(如空氣及糖水)非均質系統(tǒng)：多相且不相容的體系(如油水體系及多相金 屬混合物),8,Boundary,Surroundings,System,性質(PROPERTIES),也稱狀態(tài)變數(shù)壓力、溫度、體積、質量等外延性質--

6、-與系統(tǒng)尺寸大小有關質量、體積、動量內涵性質---與系統(tǒng)尺寸大小無關溫度、壓力、密度,9,mVTPρ,,1/2m1/2VTPρ,1/2m1/2VTPρ,,,外延性質,內涵性質,變數(shù)(VARIABLES),可以改變的性質獨立變數(shù)---不受其他變數(shù)影響而改變相關變數(shù)---隨著其他變數(shù)改變而改變P,T,V任兩變數(shù)獨立成份固定的系統(tǒng)裡，系統(tǒng)裡兩個性質固定後，其他兩個性質也跟著固定因此只有兩個性質是獨

7、立變數(shù)，則其他的性質都是相關變數(shù),10,狀態(tài) (STATE),在一系統(tǒng)沒有任何改變下，知道其組成之質量、速度、位置及所有運動模式，即可知道此系統(tǒng)之所有性質。微觀狀態(tài):組成粒子的質量、速度、位置以及運動的模式等巨觀狀態(tài): 如系統(tǒng)的體積、壓力及溫度等狀態(tài)函數(shù)：系統(tǒng)狀態(tài)的改變只與最初和最末的狀態(tài)有關，與路徑無關。,11,平衡(EQUILIBRIUM),平衡表示狀態(tài)上的平衡，系統(tǒng)內平衡後沒有能量差異。平衡得基本定義：1.正向與逆向反

8、應速率相等2.沒有額外的改變3.經過輕微的擾動可變成原始狀態(tài)熱平衡---系統(tǒng)內任一點溫度都一樣機械平衡---系統(tǒng)內任一點壓力都一樣相平衡---兩相間達到平衡化學平衡---化學成分達到平衡,12,程序(PROCESS),系統(tǒng)由一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的過程。等溫(Isothermal process)---T為常數(shù)等壓(Isobaric process)---P為常數(shù)等容(Isochoric process)---V為常數(shù)

9、絕熱(adiabatic process)---q為常數(shù)準平衡過程(Quasi-equilibrium process)指熱力平衡偏差非常小的過程，並且系統(tǒng)經過準平衡過程中所有的狀態(tài)皆可視為平衡狀態(tài)Steady-flow process,13,壓力、溫度、體積,P：　KPa＝103PaMPa＝106Pa1 Pa = 1 N/m21torr＝1mmHg＝133Pa1atm＝760mmHg＝1.01325x105Pa　

10、1bar＝105Pa＝750torrT：K(0 ℃ =273K)V：l or cm3,14,理想氣體方程式 (THE EQUATION OF STATE OF IDEAL GAS),1660 Robert BoyleT固定時---P ? 1/V1787 Charles P固定時---V ? T1802 Joseph Gay-Lussac熱膨脹係數(shù)α---以及一定壓力之下氣體在0 ℃時氣體體積隨溫度變化的增加率其

11、氣體膨脹係數(shù)α =1/273.16若溫度每降低1 ℃則體積減少0 ℃之1/273.16因此，氣體體積為0時，溫度為-273.16 ℃,15,任何溫度及壓力下皆能完全服從Boyle與Charles定律的假想氣體----理想氣體其氣體膨脹係數(shù)α =1/273.16若溫度每降低1 ℃則體積減少0 ℃之1/273.16因此，氣體體積為0時，溫度為-273.16 ℃-273.16 ℃=0 K=絕對零度理想氣體方程式---(狀態(tài)函數(shù)

12、)Boyle’s 定律---P0V(T,P0)=PV(T,P)Charles’s定律---P0=標準壓力(1 atm) ； T0=標準溫度(0 K)V(T,P)---溫度為T壓力為P時的體積V亞佛加厥假設一莫耳氣體(0 ℃,1 atm, V=22.4L),16,R=0.082057 L.atm/mol.K,PV=RT or PV=nRT,PV＝nRTR＝0.08206 L.atm/mol.K＝8.3144 J/mol.

13、K＝1.987 cal/mol.K,理想氣體與狀態(tài)V=V(P,T)---P,T獨立變數(shù),V相關變數(shù)系統(tǒng)裡的V,P,T對應一個狀態(tài)假設系統(tǒng)由1→2------?V=V2-V1路徑可由1→a →2或是1→b →2? V=(Vb-V1)+(V2-Vb) or ? V=(Va-V1)+(V2-Va),17,,,T1等溫下發(fā)生,P2等壓下發(fā)生,1→b →2,1→ a →2,由1到2的體積改變量只與狀態(tài)1及狀態(tài)2

14、的體積有關，與由狀態(tài)1到狀態(tài)2的路徑無關,P1等壓下發(fā)生,T2等溫下發(fā)生,,,功與能 (THE UNITS OF ENERGY AND WORK),單位功---力移動一距離(力x距離) w = F*dx =F*A*dl = F*dV能---多種型式存在(升x大氣壓，牛頓x米，焦耳)兩者單位具相同因次力x距離=壓力x面積x距離=壓力x體積1大氣壓=101325牛頓/米2 (N/m2)1升x大氣壓=101325牛頓x米(Nm)

15、=101.325焦耳(J)R的單位=0.08206升x大氣壓/度x莫耳 (L atm/k mol) =8.3144焦耳/度x莫耳 (J/k mlo),18,相圖 (PHASE DIAGRME),相(Phases)系統(tǒng)內巨觀上的均勻物質體。同一相具有相同的結構或原子排列同一相具有大致相同的成分與性質同一相與任何附近的相具有明顯的界面兩相或更多相共存時為非均質體。相圖(Phase diag

16、ram)顯示任何溫度與成分組合下，一系統(tǒng)所含的相與各相的成分相圖可當作是地圖，可知道在平衡狀態(tài)以之溫度下，合金中有哪些相存在,19,相律(Phase Rule)說明在一個已知系統(tǒng)中，成分與相的數(shù)目、狀態(tài)(溫度、壓力)之間的關係2+C=F+PC為化學上獨立的成分數(shù)目---通常是系統(tǒng)中的元素或化合物總數(shù)H2O視為單一成分---水中的H與O無法獨立F為可以獨立改變的自由度或變數(shù)的個數(shù)---包括溫度、壓力、成分等P為存在的相

17、的數(shù)目不同結構是為不同的相(Fe具有FCC與BCC ；碳有石墨與鑽石),20,二元相圖在一大氣壓下，顯示任何溫度與合金成分組合下，一合金系統(tǒng)所含的相與各相的成分只有兩種元素或化合物時，建立的相圖稱為二元相圖(Binary phase diagram)---通常為一大氣壓下液相線溫度---溫度高於此溫度時材料完全都是液態(tài)，液相線以下的溫度液態(tài)合金開始凝固固相線溫度---溫度低於此溫度時材料完全都是固態(tài)介於固相線與液相線之間的

18、溫度範圍會發(fā)生熔化與凝固此溫度範圍稱為合金的凝固範圍區(qū)域內兩相共存(固相與液相),21,相的百分率=(另一側的桿臂長/結線總長)x100,L%=(s-f)/(s-l)S%=(f-s)/(s-l),液相中X% Cr2O3固相中Y% Cr2O3,1+C=F+P,Al2O3與Cr2O3相同晶體結構離子大小接近任何比例互溶,二元相圖液相線溫度---溫度高於此溫度時材料完全都是液態(tài)，液相線以下的溫度液態(tài)合金開始凝固固相線溫度--

19、-溫度低於此溫度時材料完全都是固態(tài)介於固相線與液相線之間的溫度範圍會發(fā)生熔化與凝固此溫度範圍稱為合金的凝固範圍區(qū)域內兩相共存(固相與液相),22,相的百分率=(另一側的桿臂長/結線總長)x100,L%=(s-f)/(s-l)S%=(f-s)/(s-l),液相中X% Cr2O3固相中Y% Cr2O3,Fe-O相圖Fe3O4磁鐵礦(magnetite), Fe2O3氧化鐵(hematite), 氧化亞鐵(wustite),23,

20、Fe-O相圖Fe3O4磁鐵礦(magnetite), Fe2O3氧化鐵(hematite), 氧化亞鐵(wustite)X成分於下列系統(tǒng)都視為相同F(xiàn)e-O (24%O, 76%Fe)FeO-Fe2O3 (77.81%FeO, 22.19%Fe2O3)FeO-Fe3O4 (67.83%FeO, 32.17%Fe3O4)Fe-Fe3O4 (13.18%Fe, 86.82%Fe3O4)Fe-Fe2O3 (20.16%Fe, 7