文档介绍：第五章
相平衡
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
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。
硅酸盐系统相平衡是一种什么状态?
2. 介稳态即热力学非平衡态,经常出现于硅酸盐系统中。
如:
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。
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
(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-独立化学反应数目-限制条件
例如:
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:SiO2一元系统
Al2O3-SiO2二元系统
CaO-Al2O3-SiO2三元系统
注意区分:(C2S) ;
CaO-SiO2;
..4SiO2 -SiO2
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。