什么叫相变(什么叫相变点)

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什么是相变?

相变对我们大家来讲并不陌生。春天来了,和煦的阳光照着大地,冰雪消融,化作涓涓细流,汇入江河湖海。这是水从固相变成了液相,也叫固态变成了液态。根据日常的经验,我们知道,冰雪化成水时,要吸收许多热量,常常造成气温下降。“下雪不冷化雪冷,春天冻人不冻地”这一句俗语说的就是这个道理。固体受热变成液体,所吸收的热量叫熔解热。盛在敞口容器里的水会慢慢地枯竭,晾在院子里的湿衣服会逐渐变干,开水壶里的水越烧越少,这都是因为水变成水蒸气跑到空气中去了,这时水从液态就成了气态。手沾水后感到凉;水在沸腾时尽管在火炉上继续加热,但温度并不升高。这些现象都说明液体在汽化时要吸收热量,这个势量叫做汽化热。

相变是什么意思?

相变大体上来讲就是不同相之间的变化。在具体的领域有具体的含义。很重要的一点就是要理解相的定义。

机械材料中的相变是什么意思?

第一节 相变概述

一,相(phase)

什么是相

物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分.

相与相之间有分界面,可用机械的方法将它们分开.系统中存在的相可以是稳定的,亚稳的或不稳定的.系统在某一热力学条件下,只有当能量具有最小值的相才是最稳定的.系统的热力学条件改变时,自由能会发生变化,相的结构也相应发生变化.

二,相变(phase transformation)

1.相变

随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变.

2.相变过程

相变过程:物质从一个相转变到另一个相的过程.

a)狭义的相变过程

相变前后化学组成不发生变化的过程,相变过程是个物理过程而不涉及化学反应,如液体蒸发,α-石英与α-磷石英间的转变.

b )广义的相变过程

包括过程前后相的组成发生变化的情况,相变过程可能有反应发生

第二节 相变的分类

分类方法有很多,目前有以几种:

一,按物质状态划分

二,从热力学角度划分

三,按相变发生的机理来划分

一,按物质状态划分:

液相(liquid)→固相(solid) →气相(gas)

二,从热力学角度划分:

根据相变前后热力学函数的变化,可将相变分为一级相变,二级相变和高级相变

1.一级相变:在临界温度,压力时,化学位的一阶偏导数不相等的相变.

两相能够共存的条件是化学位相等.

相变时:体积V,熵S,热焓H发生突变

2.二级相变:在临界温度,临界压力时,化学位的一阶偏导数相等,而二阶偏导数不相等的相变.

因为: 恒压热容

材料压缩系数

材料体膨胀系数

所以二级相变时,系统的化学势,体积,熵无突变,

所以热容,热膨胀系数,压缩系数均不连续变化,即发生实变.

3. __高级相变:

在临界温度,临界压力时,一阶,二阶偏导数相等,而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变.

实例:量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变.

依次类推,自由焓的n-1阶偏导连续,n阶偏导不连续时称为高级相变.二级以上的相变称为高级相变,一般高级相变很少,大多数相变为低级相变.

三, 按相变发生的机理分类

1,成核-生长机理(nucleation-growth transition)

2,斯宾那多分解(spinodal decomposition)

3,马氏体相变(martensite phase transformation)

4,有序-无序转变(disorder-order transition)

1.nucleation-growth transition

成核-生长机理是最重要最普遍的机理,许多相变是通过成核与生长过程进行的.这两个过程都需活化能.如,单晶硅的形成,溶液中析晶等.

2,Spinodal分解

又称为不稳定分解,拐点分解或旋节分解,是由于组成起伏引起的热力学上的不稳定性而产生的.

图1 浓度剖面示意图

表1 两种相变机理的主要差别

3,马氏体相变:

马氏体相变最早在中,高碳钢冷淬火后被发现,将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火)即会使钢变硬,增强.这种淬火组织具有一定特征,称其为马氏体.最早把钢中的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变.后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变.

马氏体相变的特点:

马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征,但最主要的特征是在结晶学上,这种转变发生时,新旧成分不变,原子只做有规则的重排而不进行扩散.

1) 母相和马氏体之间不改变结晶学方位的关系,新相总是沿着一定的晶体学面形成,新相与母相之间有严格的取向关系,靠切变维持共格关系.

2)相变时不发生扩散,是一种无扩散转变.马氏体相变为一级相变.

3)马氏体转变速度很快,有时速度高达声速.

4)马氏体相变过程也包括成核和长大.由于相变时长大的速率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程,成核功也就成为相变所必需的驱动力.也就是说,冷却时需过冷至一定温度使具有足够的成核驱动力时,才开始相变.

4,有序—无序相变:

旧相和新相结构只是对称性的改变,相变过程以有序参量表征的相变.

有序-无序的转变是固体相变中的另一种机理,属扩散性相变.

大多数相变过程都具有成核-生长相变机理.大量的晶型转变包括简单地分解为二相区域的转变,都可以用成核-生长过程来描述.在这种过程中,新相的核以一种特有的速率先形成,接着这个新相再以较快的速度生长.亚稳相到稳定相的不可逆转变.通常是以成核-生长的方式进行.

第二节 成核-生长相变

一,相变过程的不平衡状态及亚稳区

从热力学平衡的观点看,将物体冷却(或者加热)到相转变温度,则会发生相转变而形 成新相,从图2的单元系统T-P相图中可以看到,OX线为气-液相平衡线(界线);OY线为液-固相平衡线;OZ线为气—固相平衡线.当处于A状态的气相在恒压P'冷却到B点时,达到气-液平衡温度,开始出现液相,直到全部气相转变为液相为止,然后离开B点进入BD段液相区.

但是实际上,要冷却到比相变温度更低的某一温度例如C,(气-液)和E(液-固)点时才能发生相变,即凝结出液相或析出固相.这种在理论上应发生相变 而实际上不能发生相转变的区域(如图2所示的阴影区)称为亚稳区.

在亚稳区内,旧相能以亚稳态存在,而新相还不能生成.

图2 单元系统相变过程图

由此得出:

(1)亚稳区具有不平衡状态的特征,是物相在理论上不能稳定存在,而实际上却能稳定存在的区域;

(2)在亚稳区内,物系不能自发产生新相,要产生新相,必然要越过亚稳区,这就是过冷却的原因;

(3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相,但是当有外来杂质存在时,或在外界能量影响下,也有可能在亚稳区内形成新相,此时使亚稳区缩小.

什么是相变,具体一点

物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同,与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应,物质有固相、液相、气相。

任何气体或气体混合物只有一个相,即气相。液体通常只有一个相即液相,但正常液氦与超流动性液氦分属两种液相。对于固体,不同点阵结构的物理性质不同,分属不同的相,故同一固体可以有多种不同的相。例如,固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相;碳有金刚石和石墨两相

相变

a铁、β铁、γ铁和δ铁是铁的4个固相;冰有7个固相。由单一物质构成的多相系统称为单元复相系,如冰水混合物和由不同固相构成的铁等。由多种不同物质构成的系统称为多元系,如水和酒精的混合物是二元系,空气是多元系。多元 系可以是单相的,也可以是多相的。 相变是物质系统不同相之间的相互转变。固、液、气三相之间转变时,常伴有吸热或放热以及体积突变。单位质量物质在等温等压条件下,从一相转变为另一相时吸收或放出的热量称为相变潜热。通常把伴有相变潜热和体积突变的相变称为第一类(或一级)相变。不伴有相变潜热和体积突变的相变称为第二类(或二级)相变。例如在居里温度下铁磁体与顺磁体之间的转变;无外磁场时超导物质在正常导电态与超导态之间的转变;正常液氦与超流动性液氦之间的转变等。

相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互作用是有序的起因,热运动是无序的来源。在缓慢降温的过程中,每当温度降低到一定程度,以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的有序时,就可能出现新相。以铜镍二元合金为例:合金从液态开始缓慢冷却,当温度降到液相线(1点)时,结晶开始。此时结晶出来的极少量固相成分为,液相的成分基本未变。随着温度降低固相逐渐增多,液相不断减少。液相的成分沿液相线变化,周期的成分沿固相线变化。

以系统的状态参量为变量建立坐标系,

相变

其中的点代表系统的一个平衡状态,叫做相点,这样的图叫相图。图15是常用的与热现象有关的p-T相图。图中曲线由相平衡点连接而成:OA是气固平衡线,AB是液固平衡线,AC是气液平衡线。这些相平衡线将p-T图划分为不同区域,每个区域代表一种相。三条相平衡线的交点(A)叫做三相点,在这一点,气、液、固三相可以共存。图中C为气液相变的临界点,在这一点汽化热为0,超过这一点,气态和液态的差别不复存在,物质可由P点的液相沿虚线连续地转变为Q点的气相,而不需要经过一个两相共存的不连续阶段。

不同相之间的相互转变,称为“相变”或称“物态变化”。自然界中存在的各种各样的物质,绝大多数都是以固、液、气三种聚集态存在着。为了描述物质的不同聚集态,而用“相”来表示物质的固、液、气三种形态的“相貌”。从广义上来说,所谓相,指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分,它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。例如,在由水和冰组成的系统中,冰是一个相,水是另一个相。α铁、β铁、γ铁和δ铁是铁晶体的四个相。不同相之间相互转变一般包括两类,即一级相变和二级相变。相变总是在一定的压强和一定的温度下发生的。

相变

相变是很普遍的物理过程,它广泛涉及到生产及科技工作。在物质形态的互相转换过程中必然要有热量的吸入或放出。物质三种状态的主要区别在于它们分子间的距离,分子间相互作用力的大小,和热运动的方式不同。因此在适当的条件下,物体能从一种状态转变为另一种状态。其转换过程是从量变到质变。例如,物质从固态转变为液态的过程中,固态物质不断吸收热量,温度逐渐升高,这是量变的过程;当温度升高到一定程度,即达到熔点时,再继续供给热量,固态就开始向液态转变,这时就发生了质的变化。虽然继续供热,但温度并不升高,而是固液并存,直至完全熔解。

一级相变编辑

在发生相变时,有体积的变化同时有热量的吸收或释放,这类相变即称为“一级相变”。例如,在1个大气压0℃的情况下,1千克质量的冰转变成同温度的水,要吸收79.6千卡的热量,与此同时体积亦收缩。所以,冰与水之间的转换属一级相变。

4二级相变编辑

在发生相变时,体积不变化的情况下,也不伴随热量的吸收和释放,只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化,这一类变化称为二级相变。正常液态氦(氦Ⅰ)与超流氦(氦Ⅱ)之间的转变,正常导体与超导体之间的转变,顺磁体与铁磁体之间的转变,合金的有序态与无序态之间的转变等都是典型的二级相变的例子。

5相变材料编辑

相变材料在其相变温度附近发生相变,释放或吸收大量热量,相变材料的这一特征可被用于储存能量或控制环境温度目的,在许多领域具有应用价值。本项目在上海市青年科技启明星计划、国家自然科学基金和上海市纳米技术专项等计划资助下研制开发的纳米石墨相变储能复合材料具有储能密度高、导热换热效果优异、安全稳定、阻燃和环境友好等优点。与现有的相变储能材料相比,纳米石墨基相变储能复合材料的导热系数提高1~2个数量级,相变温度在-40~+70°C之间连续可调,储能密度可达150~200J/g左右,经1000次循环后,性能劣化小于5%。 相变材料具有应用领域非常广泛的特点,在建筑节能、现代农业温室、太阳能利用、生物医药制品及食品的冷藏和运输、物理医疗(热疗)、电子设备散热、运动员降温(保暖)服饰、特殊控温服装、航天科技、军事红外伪装、电力调峰应用、工业余热储存利用等诸多领域均具有明显的应用价值。

6冰相变冷却编辑

常压下冰在0摄氏度融化,冰的汽化潜热为335kj/kg。能够满足0摄氏度以上的制冷要求。

冰冷却时,常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的潜热。此时,换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10摄氏度。厚度10厘米左右的冰块,其比表面积在25-30平方米/立方米之间。为了增大比表面积,可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116W/(平方米*K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。

7存在范围编辑

相变是广泛存在的,在材料科学、热力工程、冶金工程、化学工业和气象学等领域都涉及各种相变过程。

什么叫相变呢?

我们所见到的物质有气态、液态、固态三种状态,物质从一种状态变化到另一种状态,构成它的元素并没有改变,但元素的原子排列方式变化了,因此外在的物理状态和性质也变化了,这种变化就叫做“相变”。如果用水作例子,水在零摄氏度时就结成冰,在100摄氏度时就变成蒸汽,这叫相变。

什么叫相变 按照相变机理来划分,可分为哪些相变

(1)相变:

外界条件发生变化的过程中,物相于某一特定条件下发生突变

(2)类型:

成核-生长相变、连续型相变、有序-无序相变、马氏体相。

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