材料熱力學與動力學(浙江大學)

  • 名稱:材料熱力學與動力學(浙江大
  • 分類:石油化工  
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  • 時間:2019/6/16 12:12:41
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熱力學(thermodynamics)最初因研究熱和機械功相互轉化的關條而得名;進而發展成從能量觀點研究物質的熱性質和熱運動,以

及建立有關平衡的一般規律的科學。

它是研究物質體條的能量及其轉換的科學。

Thermodynamics is the field of science that deals with energy and its transformations.

·一種觀點:

平衡態熱力學(體條的熱力學力和流均為零)重

新命名為“熱靜力學(Thermostatics)

·非平衡態熱力學(涉及體條的熱力學力和流)才

是名副其實的“熱力學(Thermodynamics)

-Kinetics

1熱力學發展史

·一門科學的歷史,是那門科學中最寶責的一部分,科學只能給我們知識,而歷史卻給我們智慧。(啟示科學研究方法,培養創新恩思維能力)

·人類很早就對熱有所認識,并加以應用。但是將熱力學當成一門科學且有定量的研究,則是由17世紀末開始的,就是在溫度計的制造技術成熟以后,才真正開啟了對熱力學的研究。

熱力學發展史,基本上就是熱力學與統計力學的發展史,約可分成四個階段:

·第一個階段:17世紀末到19世紀中葉此時期累積了大量的實驗與觀察的結果,并制造出蒸氣機,對于“熱(Heat)”的本質展開研究與爭論,為熱力學的理論建立作好了準備。在19世紀前半葉,首先出現了卡諾理論,熱機理論(第二定律的前身)和功熱互換的原理(第一定律的基礎)。這一階段的熱力學還留在描述熱力學的現象上,并未引進任何的數學算式。

·第二個階段:19世紀中到19世紀70年代末此階段熱力學的第一定律和第二定律已完全理論化。由于功熱互換原理建立了熱力學第一定律,由第一定律和卡諾理論的結合,導致熱力學第二定律的成熟。

1.1熱力學分類

·三類:

平衡態熱力學(可逆過程熱力學、經典熱力學)統計熱力學

非平衡態熱力學(線性、非線性非平衡)經典熱力學研究的對象是平衡態,面對許多自然現象和社會現象的非平衡態,它顯得有些不足,所以對非平衡態熱力學的研究就尤為重要.

1.2熱力學的普適性熱力學的主要基礎是熱力學第一定律及第二定律,它們是人類長期實踐的經驗總結。熱力學具有一定的普適性,它的概念和方法可以應用于一切科學(物理學、化學、生物學)與工程領域,甚至宇宙學和社會科學(包括宗教)。代表性的有工程熱力學、化學熱力學(物理化學)以及材料熱力學等。

工程熱力學:應用于機械化學熱力學:

應用于化學現象或與化學有關的物理現象材料熱力學:

在引述熱力學基本原理的基礎上,著重以固體材料為例說明這些原理的應用,實則是化學熱力學的引伸。

A theory is the more impressive,the greater the simplicity of its premises,the more different kinds of things it relates,and the more extended its area of applicability.Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me.It is the only physical theory of universal content which l am convinced it will never be overthrown within the framework of applicability of its basic concepts.

A.Einste理論的推理前提越簡單,它所聯條的不同事物越多,它的應用范圍越廣泛,則這個理論給人的印象就越深刻。因此,經典熱力學.……是具有善遍內容的唯一的物理理

論。在它的基本概念適用的范圍內,宅絕不會被推翻。

愛因斯坦、1949

1.3熱力學方法

·經典熱力學:

以大量粒子組成的宏觀系統作為研究對象,以經驗概括出的熱力學第一、第二定律為理論基礎,引出或定義了熱力學能、焓、熵、亥姆霍茨函數、吉布斯函數,再加上p,V,T這些可由實驗直接測定的宏觀量作為系統的宏觀性質,利用這些宏觀性質,經過歸納與演繹推理,得到一系列熱力學公式或結論,用以解決物質變化過程的能量平衡、相平衡和反應平衡等問題。

特點:

不涉及物質系統內部粒子的微觀結構,只涉及物質系統變化前后狀態的宏觀性質。

實踐證明,這種宏觀的熱力學方法是十分可靠的,它導出的結論有高度的可靠性和廣泛的普遍性。至今未發現過實踐中與熱力學理論所得結論相反的情況。

宏觀熱力學的局限性:

它只能回答過程變化的可能性,不能回答變化的現實性;它能提出反應的必要條件,但不能提供充分條件;它能頂測某一過程能否向某一方向進行,以及進行的限度,但不能解決該過程進行所需的時間以及內在原因和變化機制。(需借助統計物理學深入地涉及分子(或原子)微觀態的各種熱運動,即統計熱力學。)統計熱力學方法屬于從微觀到宏觀的方法。統計熱力學方法是在量子力學方法與經典熱力學方法即微觀方法與宏觀方法之間架起的一座金橋,把二者有效地聯系在一起。

統計熱力學:研究的對象與經典熱力學研究的對象一樣,都是由大量粒子組成的宏觀系統。從體系的具體結構去計算熱力學函數。

·從組成系統的微觀粒子的性質(如質量、大小、振動頻率、轉動慣量等)出發,通過求統計概率的方法,定義出系統的正則配分函數或粒子的配分函數,并把它作為一個橋梁與系統的宏觀熱力學性質聯系起來。統計熱力學方法是從微觀到宏觀的方法,它補充了經典熱力學方法的不足,填平了宏觀和微觀之間難以逾越的鴻溝。

2.熱力學和材料科學熱力學定律在材料問題中的應用,用來研究材料中相的穩定性、相變的方向以及計算相變的驅動能量等。

2.2材料科學和材料熱力學一種誤解:只有在微觀尺度上對材料的直接分析才是深刻把握材料組織結構形成規律的最主要內容和最主要途徑;對焓、熵、自由能、活度等抽象的概念不再需要更多地加以注意。

熱力學的主要長處正在于它的抽象性和演繹性;現代材料科學的每一次進步和發展都一直受到經典熱力學和統計熱力學的支撐和幫助。

材料熱力學的形成和發展正是材料科學走向成熟的標志之一

材料科學的進步拉動材料熱力學的發展;材料熱力學的發展又在為材料科學的進一步發展準備基礎和條件。

2.2材料熱力學的形成和發展

1876年GibbS相律的出現:經典熱力學的一個重要的里程碑。剛剛開始不久的材料組織的研究,便有了最基本的理論指導。

1899年H.Roozeboom把相律應用到了多組元條統,把理解物質內可能存在的各種相及其平衡關系提升到了理性階段。

1900年,Roberts-Austen通過實驗構建了Fe-

Fe3C相圖的最初的合理形式,使鋼鐵材料的研究一開始就有理論支撐。

20世紀初G.Tamman等通過實驗建立了大量金屬條相圖、有力地推動了合金材料的開發,被認為是那個時代材料研究的主流基礎性工作。

稍后出現的經驗性溶體理論和20世紀30年代W.L.Brragg和E.J.Williams利用統計方法建立的自由能理論,使熱力學的分析研究有可能與對材料結構的有序性等微觀認識結合起來;意義十分巨大。

2.3材料的制備、結構、性能與能量的關系工程材料的四個重要的概念和共性問題:性能、結構、過程和能量。

性能:是材料的一種參量,用于表征材料在給定外界條件下的行為,它隨著材料的內因和外因而改變。當外界條件一

定時,其性能取決于材料的內部結構。

結構:組成材料的粒子種類、數量以及它們在運動中的排列方式。習慣上我們把前兩者叫做成分,后者叫做組織結構。

組織:可以借助于某種儀器直接觀察到的形貌。

結構:通過儀器測定后推測得到的原子排列方式。近代科學技術的發展已經打破了組織與結構的界限。隨著電子顯微技術的進步,日前人們已經可以運用高分辨電子顯微鏡或場離子顯微鏡直接觀察結構,因此已經沒有必要再區分組織和結構了。


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