第07讲-结晶与相变动力学课件.pptx
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- 07 结晶 相变 动力学 课件
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1、第四章结晶与相变动力学结晶与相变动力学热科学和能源工程系1内容1.溶液理论2.相变输运理论3.相变动力学4.成核理论5.结晶模型2冰晶3雪花n2006年10月开始,美国邮政总局将发行一套印有雪花图片的邮票,这些图片均是由美国加州理工学院的物理学教授肯尼斯里布雷希特经过多年野外作业拍摄到的雪花照片。这些精美的照片也揭示了一个事实,那就是世间不会有两朵相同的雪花。4天然晶体 5钻石6巨型天然晶体7晶体模型8n相变是普遍存在于自然界中的一类突变现象,是量变转化为质变这一辩证规律的典型表现之一。n相变是有序和无序两种倾向矛盾斗争的表现。n相互作用是有序的起因。n热运动是无序的源泉。n千差万别的相变大体
2、上可以分为两类:n第一类相变有明显的体积变化和热量的吸放(潜热),有“过冷”或“过热”的亚稳状态和两相共存现象。n第二类相变没有体积变化和潜热,不容许过冷、过热和两相共存;比热和其他一些物理量随温度的变化曲线上出现趋向无穷的尖峰相变9一、溶液n过饱和溶液n过饱和状态是溶液能发生结晶作用的先决条件,过饱和度是结晶过程的推动力。n过饱和度n过饱和系数 过饱和液的摩尔浓度。饱和液的摩尔浓度0ccc(1)c0c*0cc(2)10n过饱和溶液在热力学上是不稳定的,而溶液在溶解度曲线AB 以上的整个过饱和区不同位置上的不稳定程度是不相同的。体系点靠近饱和曲线AB就比较稳定,离AB曲线愈远就愈不稳定。n稳定
3、区即不饱和区,处于该区内的溶液始终保持稳定,不可能发生结晶作用;n不稳定区溶液处于不稳定的过饱和状态,能立即自发成核析出固相。体系处于固-液共存。n亚稳区 介于上述两区之间。该区内溶液虽呈过饱和状 态有结晶能力,但不会立 即析晶,能在该状态下持 续相当长时间溶液处于 亚稳状态。n亚稳区的稳定性由物质 的化学组分、溶解度、温度、搅拌以及杂质等确定。11化学组分12溶解度与温度的关系n在固液两相平衡条件下,温度对溶解度的影响关系为n对于溶解时吸热的大多数晶体。H为正值,故温度愈高溶解度愈大;在相同操作温度下,则熔点愈高的晶体,溶解度愈小。nC 晶体的溶解度 nH 相变焓J/kg K;nTm 晶体的
4、熔点 K;nT2 操作温度 K;nR 气体常数 J/kg K。22m11lnmcHcRTT(3)13溶解度与粒径的关系nOstwald从热力学观点出发,假设晶粒是球形的,两种粒径不同的晶体的半径分别为r1 和r2,则溶解度与晶粒尺寸关系的表达式n c1,c2 分别为粒径r1和r2的球形晶粒的溶解度n M 溶液中晶体的分子量n 固液相界面自由能;n 晶体的密度;n R 气体常数;n T 绝对温度。1212211lncMcRTrr(4)14n假设大颗粒球形晶体的粒径r,与之相平衡的浓度为C*,则得 Ostwald-Freundich方程n鉴于溶解过程与融化过程的等效性,Ostwald-Freund
5、ich方程也预示了小颗粒PCM的融点变化 T融点变化;Tm融点;Hm融解热 *2lnrCMCRT r(5)2mmmTMTHr(6)15n上式没有考虑晶体在溶液中的离解因素,并将P和d均假设为 常数而与颗粒尺寸无关,因此,上式不够严格的。后来,Lundon 和MacK在考虑了离解因素的情况下提出了类似的式子:n式中 溶质在溶液中的离解度:n1摩尔溶质离解后形成的离于数。n当颗粒尺 寸减小时,溶解度增加,自标准溶解度直至达到最大值,进一步减小颗粒尺寸时,则由于带电荷粒子间的排斥作用,反使溶解度下降。*2ln1rcMncRT r(7)16过冷溶液n溶液绝对过冷度n相对过冷度n最大过冷度取决于冷却速率
6、,冷却速度高,试样过冷度大。mTT(12)mT(13)17二、输运机理n迁移:通过某一流动系统,流体及其任一性质整体地逐点移动的直接过程。n传导或扩散:质量或热量或动量朝着浓度、温度或动量减小的方向迁移的过程。n动量输运:n质量输运对流扩散n热量输运对流换热n连续性方程()8()910011pVVVVpftCVCD CtTCVTk TtVt u vu vu vu vu vu vu vu v()()()()18三、结晶驱动力n相变驱动力:力势、化学势和热势n晶体生长就是旧相(亚稳相)不断转变成新相(稳定相)的动力学过程,或是晶核不断形成,和晶体不断长大的过程。n伴随这一过程的是系统的吉布斯自由能
7、降低。n经典相变动力学1.晶核的形成理论成核的热力学条件2.生长的动力学理论生长动力学条件n结晶必须在过冷或过饱和的条件下进行,这是由热力学条件决定。n相变大多是在恒温恒压下进行,吉布斯自由能是该过程进行方向和深度的判据。19结晶的热力学条件自由能与表面能的相互作用n晶体生长属一级相变过程。nGibbs自由能n可逆过程n等压条件nG0为绝对零度时的自由能,相当于绝对零度时的内能U0。000001415161718pTTTpGHTSdGdHdQSdTdTdTQdSdHQQc dTTdGSdTGGdTSCdTGTUdT ()()()()()20n由于体系的熵恒为正值,且随温度的上升而增加,自由能却
8、随熵的增加而降低。n在绝对零度,固相的内能比液相的内能小。n液相与固相自由能随温度变化的曲线各不相同,是由于液相的比热比固相的比热大。n液相与固相的自由能与温度的变化曲线必然在某一温度下相交,对应的温度Tm就是熔点,固液两相共存。Tm为理想结晶温度。GLOGGSTTmThTcGG21n温度低于Tm,n单位体积 为负时,晶体相才是稳定相,是结晶驱动力n恒温恒压下,n假定在Tm下,液相、固相自由能随温度变化的速率相差不大,可近似的认为相等,当体系过冷到某一温度进行相转变时。n液相只有在 时,才能保证n 越大 越大,结晶驱动力越大。过冷是结晶的必要条件。19(-)-(-)20SLSLSLGGGHHT
9、 SS()()vGvG21022-(-)23-24mSLSLmmmmTTGHHTSSTSTSQL()()()()SLmSLmmmmmmmmmmHH=LLSS=TTLTTLTG=L+=L=TTT(25)(26)(27)T0vG 0TvG22n固液界面面积A在驱动力f的作用下,向液体中推进了的 x垂直距离,n这一过程使系统吉布斯自由能降低G。n驱动力所做的功等于系统吉布斯自由能的降低n 是生成1mol晶体在体系中引起的吉布斯自由能的降低.n1mol晶体中有N个原子,而每个原子由流体相转变成晶体相所引起的吉布斯自由能的变化n f指向流体,流体为亚稳相n f指向晶体,晶体为亚稳相fA xG(28)Gf
10、(29)VGGGGGMMf(30)mVmnM nMM SNg31gf=Ng=32Mg0gg0,f0LfG23气相生长系统n平衡时的压力p0和温度T0n当温度T0不变,压力p0升高到p1,蒸气系统处于亚稳态n等温压缩n蒸气为理想气体0011ppppdGSdT+vdp(33)GdGvdp(34)01p100p000001000000pdpRTRT ln(35)ppNg(36)RTRTRTpg=-ln=-ln=-ln(1+)kT ln(1+)kT(37)NpNN 00SSkT lnkTf(38)系统蒸气压饱和比系统蒸气压的过饱和度24溶液-晶体n理想溶体的化学势n平衡时n温度压力不变,浓度由C0升到
11、C1n生成1mol晶体L00001,lnC(42)iiP TRTL00,lnC(39)iiP TRT10010000Cln(43)CCgklnklnk(44)CRTTTT L0000SL0000,lnC(40),lnC(41)iiiiiP TRTP TRT0010S0SSkkCflnlnk(45)CTTT25n熔体-晶体n平衡时n相变时n过冷度较小()()(46)-(47)()()-(48)()-(49)LSmmmmmmmmmTTGH TSH TTS TLLS TTmLSTT(50)(T)(T)(T)H(T)T S(T)(51)mmmmmmmmmH(T)H(T)(52)S(T)S(T)(53)
12、LT(T)LTL(54)TTTgl(55)T mmSlTf(56)T26弯曲界面n弯曲界面上的表面张力将导致垂直于界面附加力的出现,结果使弯曲界面处两相的压力不等;n界面压力的大小,首先取决于界面的性质,即决定于界面能的大小;其次还和弯曲界面的曲率半径有关;n各向同性的单元系统,晶体与流体间的界面为任意一空间界面n晶体内的压力和体积n流体内的压力和体积SSp,VLLp,V27弯曲界面n假定界面在沿法线方向有一微小位移,晶体体积增加 ,流体体积减少n若等温进行,晶体和流体所做的功n界面为平面n平界面所应满足的力学平衡条件SdVLdVSLdV=-dV(57)SSLLp dV,p dVSSLLp d
13、V+p dV0(58)SLp=p(59)28n曲面表面能n曲面的面积增加了dA。曲界面位移作用在界面上的力所做的功等于界面能的增加。n球面n空间曲面SSLLSLSLSLp dVp dVdA(60)dAp=pp(61)dVSLp=2(62)rSL1211p=(63)rr29曲面弯曲与平衡参量间的关系n两封闭气相生长系统n平衡温度T0n系统a中,假定存在一个半径为r的球状晶体,两相平衡时,气相中的平衡压力pe,晶体中为pe+pn系统b中,有一块状晶体,pg=p0=pl ab30曲面弯曲与平衡参量间的关系n相平衡n温度相等,化学势只与压力有关e0e0pGGGeabp0p+pSSSSabe0pSee0
14、0SSve0pV dpRTln(67)pV dpV(p+p-p)(68)pV(p+p-p)RTln(69)p2pVRTln(70)rpSGSGaabbSSGGabab(64)(65)(66)31SSve0e0SS00SvSe02Vp=p exp(71)rRTr,p=pVR,kNN2pkTln(72)rp 32n若系统中的实际蒸气压是平界面的平衡蒸气压,则对凸形的晶体来说是不饱和的,晶体趋于升华;n若系统中的实际蒸气压是曲面的平衡蒸气压,则对平界面的晶体来说是过饱和的,平界面的晶体趋于生长;n若系统中的实际蒸气压是平界面的平衡蒸气压,则对凹形的晶体来说是过饱和的,凹晶体趋于生长;n若系统中的实际
15、蒸气压是曲面的平衡蒸气压,则对平界面的晶体来说是不饱和的,平界面的晶体趋于升华。e0r0,ppe0r0,pp33n任意曲面n晶体-熔体n晶体-溶液eSvS120meSLSSL12meSfS120p11kTln(73)rrpT-T11l(74)rrTC11kTln(75)rrC34四、成核n在一定的环境条件下,过饱和溶液或过冷熔体或过饱和蒸气均要相变。n对于结晶物质体系,在相变驱动力的推动下,亚稳相终究要转变成稳定相。n根据热力学原理,当熔体过冷至熔点温度以下时,就会出现结晶现象。n首先,在熔体中会形成许多大小不等、与固相结构相同的基元团,叫晶胚。晶胚再靠凝聚熔体中的溶质原子而不断长大,形成具有
16、一定临界大小的晶核,继而发育成完整的晶体。n整个结晶的过程就是形成晶核和晶核不断长大的过程。n晶体成核是指稳定的晶核(新相)在不稳定的母相中开始形成,在新相和母相之间有比较清晰的相界面。35均匀成核n若体系中的空间各点出现新核的几率相同,则在晶核形成的涨落过程中不考虑外来杂质或基底存在的影响,这种过程称之为均匀成核。n当晶体在亚稳相中成核时,可把体系的吉布斯自由能看成是有两项组成:一是体系的体自由能的减少;二是新相形成时所伴随的表面自由能的增加。36n若晶体相中单个原子或分子的体积为,晶相-液相的比表面自由能为sf,则在亚稳相流体中形成一个半径为r的球形晶核所引起的G的改变n对上式求导,可得临
17、界球形晶核的半径n形成临界晶核所需要的形成功324()4(76)3vsfrG rgr 2(77)sfcvrg232161()(4)(78)33sfcccsfvG rrg均匀成核的热力学37n形成临界晶核时,所释放的体积自由能,只能补偿表面自由能增高的2/3,还有1/3的表面自由能必须从能量起伏中提供。n形核功,是过冷熔体或过饱和溶液开始成核的主要障碍,是迟迟不能成核的主要原因。n过冷仅是熔体结晶的必要前提,而欲使结晶作用得以发生,必须使熔体的过冷度达到某一临界值。38临界半径n半径小于临界半径的晶核均趋于收缩至消失,这类晶核的生长会引起体系自由能的升高,违反了热力学定律。n只有半径大于临界半径
18、的晶核才能稳定生长。自由焓变化与晶核尺寸的关系 39n相对过冷度增加,rc降低,核化易产生;具有较高融解热的PCM核化较易,过冷度较小 过冷度与晶核尺寸的关系3max22(79)2(80)16()(81)3mvvvmkvkvTTGHHTrHGH 40n一般为非理想溶体00 0003ln(82)ln(83)lnln(84)4ln(85)32(86)lnsvkRTf cRTf cnRTRTnGrRTMMrRT 41n成核速率nB成核速率的动力学常数n晶体从溶液中成核,B与粘度有关,黏度与温度有关。n原子为越过势垒所必须具备的额外能量叫激活能n熔体中不存在把质点输运给晶核的问题,只存在质点进入晶核而
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