材料化学第四章.ppt

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1、材料化学热力学Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials1Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials原因:材料的合成加工应用涉及到能量转化及过程转化的方向和限度主要内容化学热力学基础及应用埃灵罕姆图（EllinghamDiagrams）及应用相平衡与相图2Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials学习目的了解化学热力学在材料研究中一些运用；能分析材料工艺中碰到的各种相图。33C

2、hapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials4.1化学热力学基础及应用内能焓熵吉布斯自由能反应的方向和进行的限度4Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials4.1.1化学热力学回顾内能U=微观动能+微观势能内能是体系总能量体系总能量E=内能+宏观动能+宏观势能——忽略体系宏观动能和势能内能是状态函数,与过程无关能量的变化ΔU:体系从环境吸热Q(正)[或放热(负)]体系对环境做功W(负)ΔU=Q-W－－热力学第一定律内能(

3、U)移动、转动、振动化学键5能量具有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，而在转化及传递中，能量总量保持不变。6W=PV=0Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials热力学第一定律材料化学凝聚态封闭体系(固体)一定压力下体积的变化焓（H）——状态函数10/4/20213:58:30AM7凝聚态封闭体系7Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterialsd(PV)=0熵（S）——状态函数

4、,衡量体系自由度或无规度——可逆过程热效应（QR）与绝对温度的比值：88热力学第二定律——任何自发变化过程始终伴随着隔离体系的总熵值的增加。指明了热力学过程进行的方向热力学第三定律——在绝对零度时，任何纯物质的完整晶体的熵都等于零。物质在标准状态下的绝对熵/标准熵自由能(ΔG)—状态函数,指明化学反应可能性9热力学第二定律——在任何自发变化过程中，自由能总是减少的G<0，化学反应过程能自发进行；G>0，化学反应过程不能自发进行；G=0，化学反应过程处于平衡状态。化学反应平衡常数：Chapt

5、er4ChemicalThermodynamicsofMaterials化学变化的趋动力GG=0时等温等压4.1.2化学热力学在材料研究中的应用10化学热力学原理和方法相关数据材料制备工艺设计新材料开发Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials计算作为参考例：冶金工艺——金属锌的冶炼锌矿ZnO金属锌还原?G0=H0-TS0300K1200K11Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials4.2埃灵罕姆图及其应

6、用埃灵罕姆图——G0-T关系图反应过程不存在物质状态变化时G0-T为近似线性关系4.2.1埃灵罕姆图12Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials生成各种氧化物G0-T线的(P70)：氧化过程气体数目减少，则S0<0,(-S0)>0，斜率为正。金属+O2金属氧化物氧化过程气体数目增加，则S0>0,(-S0)<0，斜率为负。氧化过程气体数目不变，则S0=0,(-S0)=0，斜率为零，即G0几乎与温度无关。13斜率利用埃灵罕姆图，可在很宽

7、的温度范围内研究各种材料的热力学性质及氧化还原性质，为材料的制备、使用及新材料开发研究提供依据。4.2.2埃灵罕姆图的应用14Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterials4.2.2.1氧化物生成平衡控制温度T下的平衡压力在一定温度下，通过调节氧气压力，就可控制反应进行的方向15Chapter4ChemicalThermodynamicsofMaterialsPO2越小,ΔG越负,反应越易进行4.2.2.2氧化物稳定性比较G0-T曲线越在下方，金属氧化物的

8、G0负值越大，其稳定性也就越高。一定温度下，下方的G0-T曲线对应的元素能使上方G0-T线的金属氧化物还原。位于H2O生成线上方的金属氧化物都可被氢还原。所研究的氧化还原反应两条直线之间的距离在给定温度下就代表了反应的标准自由能变G0。16例：TiO2与MgO的比较TiO2生成线位于MgO生成线的下方，即表明前者的稳定性大于后者。1000℃下两条氧化物生成线之间的距离：G0<0，因此标准状态下纯金属Ti可还原MnO。174.2.2.3还原能力的相互反转当两根氧化物生成线在某特定温度相交时