五 相平衡
第五章 相平衡
主要的容 ★系统阐述相图的基本原娌 ★结合实际介绍相囝在无机非 金属材料的研宄和生产实践 中的具体应用
主要内容 ★ 系统阐述相图的基本原理 ★ 结合实际介绍相图在无机非 金属材料的研究和生产实践 中的具体应用
第一节硅酸盐系统相平衡特点 热力学平衡态和非平衡态 1.平衡态 相图即平衡相图,反应的是体系所处的热力学平衡状态, 即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态 (其中所包含的相数,各相的状态、数量和组成), 与达平衡所需的时间无关。 硅酸盐系统相平衡是一和什么状态? 硅酸盐熔体即使处于高温熔融状态,其粘度也很 大,其扩散能力很有限,因而硅酸盐体系的高温物理 化学过程要达到一定条件下的热力学平衡状态,所需 的时间是比较长的,所以实际选用的是一种近似状态
第一节 硅酸盐系统相平衡特点 一、热力学平衡态和非平衡态 1. 平衡态 相图即平衡相图，反应的是体系所处的热力学平衡状态， 即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态 (其中所包含的相数，各相的状态、数量和组成)， 与达平衡所需的时间无关。 硅酸盐熔体即使处于高温熔融状态，其粘度也很 大，其扩散能力很有限，因而硅酸盐体系的高温物理 化学过程要达到一定条件下的热力学平衡状态，所需 的时间是比较长的，所以实际选用的是一种近似状态
2.介稳态即热力学非平衡态,经常出现于硅酸盐系统中 如:a-石英 870℃C 1470℃ 鳞石英←一方石英 573℃ 163℃ 180~270℃ β一石英 鳞石英 β一方石英 117℃C Y一鳞石英 说明:介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有 所需要的性质,因而创造条件(快速冷却或掺加杂质) 有意把它保存下来。 如:水泥中的阝一C2S,陶瓷中介稳的四方氧化锆; 耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。 但由于转变速度慢,实际可长期存在
2. 介稳态 即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统中。 如： 说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有 所需要的性质，因而创造条件(快速冷却或掺加杂质) 有意把它保存下来。 如：水泥中的β －C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆 ; 耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。 α－石英 α－鳞石英 α－方石英 β－石英 β－鳞石英 β－方石英 γ－鳞石英 573℃ 163℃ 117℃ 870℃ 1470℃ 180～270℃ 但由于转变速度慢，实际可长期存在
二、相律 根据吉布斯相律f=c-p+2 自由度数 c一独立组分数 相数 2-温度和压力外界因素 硅酸盐系统的相律为:f=c-p+1
根据吉布斯相律 f = c－p＋2 f － 自由度数 c － 独立组分数 p － 相数 2 － 温度和压力外界因素 硅酸盐系统的相律为 : f = c－p＋1 二、相 律
1、相:指系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。 注:均气微观尺度上的均匀,而非一般意义上的均匀。 ()相与相之间有界面,可以用物理或机械办法分开。 i)一个相可以是均匀的,但不一定是一种物质。 气体:一般是一个相,如空气组分复杂。 固体:有几种物质就有几个相,但如果是固溶体时为一个相。 因为在固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀, 其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求,因而几个 组分形成的固溶体是一个相。 液体:视其混溶程度而定。 p-相数,p=1单相系统,p=2双相系统,p=3三相系统
(i) 相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。 (ii) 一个相可以是均匀的，但不一定是一种物质。 气体：一般是一个相，如空气组分复杂。 固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。 因为在 固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀， 其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个 组分形成的固溶体是 一个相。 液体：视其混溶程度而定。 p － 相数， p = 1 单相系统，p = 2 双相系统，p = 3 三相系统 1、相：指系统中具有相同的物理性质 和化学性质的均匀部分。 注：均匀微观尺度上的均匀，而非一般意义上的均匀
2、组分、独立组分 (组元)组分:组成系统的物质。 独立组分:足以表示形成平衡系统中各相所需要的最少数目的 组分: c=组分数一独立化学反应数目一限制条件 例如: Caco-2>Cao+co 2 c=3-1-0=2 系统中化学物质和组分的关系: 当物质之间没有化学反应时,化学物质数目=组分数; 当物质之间发生化学反应时, 组分数=化学物质数在稳定条件下的化 学反应数
2、组分、独立组分 (组元)组分：组成系统的物质。 独立组分：足以表示形成平衡系统中各相所需要的最少数目的 组分: c = 组分数－独立化学反应数目－限制条件 例如： ⎯→ + CaCO3 CaO CO2 c = 3－1－0 = 2 系统中化学物质和组分的关系： 当物质之间没有化学反应时，化学物质数目＝组分数； 当物质之间发生化学反应时， 组分数 = 化学物质数 - 在稳定条件下的化 学反应数
在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为系统的组分。 如:SiO2元系统 Al2O3-SiO2二元系统 CaO-Al2O3SiO2三元系统 注意区分:2CaO.SiO2C2S) Cao--sio K2O.AL,O3. 4Sio2-SiO2
在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为系统的组分。 如：SiO2一元系统 Al2O3－SiO2二元系统 CaO－Al2O3－SiO2三元系统 注意区分：2CaO.SiO2 (C2S) ; CaO－SiO2 ; K2O.Al2O3 . . 4SiO2 －SiO2
3、自由度( 定义:温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中 可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的 独立变量的数目 具体看一个二元系统的自由度。 L f=2 f=0 L+A E f=1 +b f= A+B f1
3、自由度 (f) 定义: 温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中， 可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的 独立变量的数目 具体看一个二元系统的自由度。 A B L f=2 L＋B f=1 A＋B f=1 L＋A f=1 f =0 E
相律应用必须注意以下四点 1、相律是根据热力学平衡条件推导而得,因而只能处理真实 的热力学平衡体系。 2相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强 如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响,则相律中的 “2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质,可 以 忽略压强的影响,相律中的“2”应为“1” 3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限 制条件数,才能正确应用相律。 4.自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值,则说明体系可 能处于非平衡态
相律应用必须注意以下四点： 1. 相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实 的热力学平衡体系。 2. 相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。 如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的 “2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质，可 以 忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。 3. 必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限 制条件数，才能正确应用相律。 4. 自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值，则说明体系可 能处于非平衡态