材料熱力學(xué) 課件 21-第七章 相平衡狀態(tài)圖3

任課教師：李俊杰Office：西工大創(chuàng)新大廈1316Telmail：lijunjie@

杠桿定律一元系的相圖三個區(qū)：氣、液、固單相區(qū)三條線：兩相平衡共存一個點(diǎn)：氣-液-固三相共存上節(jié)回顧2/29

水的相圖水冰水蒸氣

超臨界水

三相點(diǎn)不是冰點(diǎn)AB液相線氣相線

lg

T=常數(shù)

二元系氣-液相圖上節(jié)回顧關(guān)鍵：兩相共存的線a

CD物系點(diǎn)3/29glAB

g-lE

氣相線液相線

相點(diǎn)bc

第七章相平衡狀態(tài)圖4/297.1緒論7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相圖概述7.5二元系氣-液相圖7.6二元系液-液相圖7.7二元系固-液相圖7.8二元系復(fù)雜相圖識別的一般方法理想溶液非理想溶液杠桿定律7.5二元系氣-液相圖5/297.5.3杠桿定律

Cg

AB

DE

n(l)n(g)gassln某物系C(A-B二組分)液相及氣相的物質(zhì)的量n(l)和n(g)？

杠桿定律

氣相線液相線g-l平衡6/29

實(shí)質(zhì)：物質(zhì)守恒，適用于任意兩相區(qū)適用于任意滿足物質(zhì)守恒的場合7.5.3杠桿定律

Cg

AB

DE

氣相線液相線

杠桿定律名稱：

橫坐標(biāo)wB意義：若以CE代表n(l)，則CD代表n(g)橫坐標(biāo)xB以物系點(diǎn)C為支點(diǎn)，DE為杠桿兩端懸掛兩相，杠桿平衡7/29

第七章相平衡狀態(tài)圖8/297.1緒論7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相圖概述7.5二元系氣-液相圖7.6二元系液-液相圖7.7二元系固-液相圖7.8二元系復(fù)雜相圖識別的一般方法7.6.1兩種液體混合分類兩種液體混合完全互溶完全不互溶部分互溶苯—甲苯水—硝基苯水—異丁醇水—苯胺水—油水—乙醇9/29兩種液體部分互溶實(shí)驗8.5%8.5%8.5%83.6%83.6%83.6%0%8.5%0<wB<8.5%醇的水溶液8.5％<wB<83.6%共軛溶液83.6%<wB<100%水的醇溶液20℃100℃0<wB<9.3%9.3％<wB<70.2%70.2%<wB<100%120℃0<wB<14%14％<wB<61.5%61.5%<wB<100%在一個大氣壓及一定溫度下，往水中逐漸加醇例如水(A)－異丁醇(B)83.6%100%7.6.2部分互溶雙液體系10/29相圖繪制與分析(5)其他情況：(1)132.8℃：

最高臨界溶解溫度(4)相圖特點(diǎn)：形狀(3)ce線：醇在水中的溶解度曲線cf線：水在醇中的溶解度曲線(6)高溫區(qū)域的相平衡情況如何？(7)固-固體系有類似相圖7.6.2部分互溶雙液體系T水(A)異丁醇(B)wB→l**⊙△△⊙100℃20℃120℃l1+l237％cef(2)單相區(qū)：cef曲線以外的區(qū)域兩相區(qū)：cef曲線以內(nèi)的區(qū)域MNO132.8℃11/2912/29水(A)－異丁醇(B)相圖如下，物系點(diǎn)為O的系統(tǒng)平衡時，醇濃度大的溶液質(zhì)量是醇濃度小的溶液質(zhì)量的幾倍：1倍2倍0.5倍3倍ABCD提交水(A)異丁醇(B)l100℃20℃120℃132.8℃e

TwB80℃60℃40℃O

單選題1分第七章相平衡狀態(tài)圖13/297.1緒論7.2相律

7.3一元系相平衡7.4二元系相圖概述7.5二元系氣-液相圖7.6二元系液-液相圖7.7二元系固-液相圖7.8二元系復(fù)雜相圖識別的一般方法形成簡單低共熔混合物的相圖形成化合物的相圖形成固溶體的相圖7.7二元系固-液相圖14/29形成簡單低共熔混合物體系特點(diǎn)液相完全互溶，而固相完全不互溶常見體系：Bi(鉍)-Cd(鎘)、Pb(鉛)-Sb(銻)、Sn-Zn、Cu-Bi7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖如有相變，將伴隨相變熱的釋放，冷卻曲線斜率發(fā)生突變，冷卻曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折高溫熔體緩慢冷卻過程中，

若沒有相變發(fā)生，則體系溫度均勻降低，冷卻曲線是光滑連續(xù)通過冷卻曲線斜率的變化判斷體系的變化緩慢冷卻，可近似認(rèn)為時刻保持相平衡

cba相圖繪制方法——熱分析法原理：15/29具體方法：配制一系列不同組成的試樣，將試樣加熱至完全熔化以上某溫度，保溫、至體系達(dá)到平衡然后緩慢冷卻，并記錄冷卻過程中溫度隨時間的變化曲線，繪制冷卻曲線(步冷曲線)再將冷卻曲線中多相平衡信息（溫度-組成）在相圖中標(biāo)出7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖連接相關(guān)相點(diǎn)，即得二組分體系溫度-組成相圖16/297.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖Bi-Cd二元相圖繪制1.加熱到1點(diǎn)，Bi全部熔化2.冷至2點(diǎn),固體Bi開始析出溫度可以下降溫度不能改變，為Bi熔點(diǎn)3.全部變?yōu)楣腆wBi后溫度又可以下降純Bi的步冷曲線

2點(diǎn)4.做T-x相圖中可用：

17/297.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖

2.冷至2點(diǎn)，固體Bi開始析出溫度可以下降溫度可以下降3.冷至3點(diǎn)固體Bi、Cd同時析出溫度不能改變4.到4點(diǎn)溶液消失，Bi和Cd共存溫度又可下降

2點(diǎn)5.做T-x相圖中可用：18/297.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖1.加熱到1點(diǎn)，Bi、Cd全部熔化2.冷至2點(diǎn)，Bi和Cd同時析出溫度可以下降溫度不能改變3.到3點(diǎn)，溶液消失，Bi和Cd共存溫度又可下降

2點(diǎn)4.做T-x相圖中可用：19/2920/29596KGN413KB546K

time溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)Bi試樣平衡溫度平衡相（濃度）

Cd00.20.40.60.81wCd→ACEMHF純Bi546K純液體Bi(wCd=0)+純固體Bi(wCd=0)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2480K溶液(wCd=0.2)+純固體Bi(wCd=0)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4413K溶液(wCd=0.4)+純固體Bi(wCd=0)+純固體Cd(wCd=1)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7500K溶液(wCd=0.7)+純固體Cd(wCd=1)純Cd596K純液體Cd(wCd=1)+純固體Cd(wCd=1)7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖Bi-Cd二元相圖分析NEM線，Bi(s)+溶液+Cd(s)溶液

純固體Bi+純固體Cd

TE

共晶轉(zhuǎn)變?nèi)鄥^(qū)：低共熔轉(zhuǎn)變

三相相點(diǎn)：N，E，M單相區(qū)：AEH線之上，溶液(l)

ANQ線，固體Bi(s)HMW線，固體Cd(s)

溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)0.20.40.60.8wCd→CEHF546K413K596KANE

區(qū)，Bi(s)+溶液(l)HEM

區(qū)，Cd(s)+溶液(l)NEM線以下，Bi(s)+Cd(s)兩相區(qū)：

21/29Bi0ANBQCd1MGW7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖ACE線：與Bi(s)平衡共存的溶液組成HFE線：與Cd(s)平衡共存的溶液組成兩條液相線兩條固相線ABN線：與溶液平衡共存的Bi(s)HGM線：與溶液平衡共存的Cd(s)三個特殊點(diǎn)A點(diǎn)是純Bi(s)的熔點(diǎn)H點(diǎn)是純Cd(s)的熔點(diǎn)E點(diǎn)是所有A+B混合物中熔點(diǎn)最低，稱為低共熔點(diǎn)(共晶點(diǎn))E點(diǎn)析出的混合物稱為低共熔混合物（共晶）E點(diǎn)的溫度會隨外壓的改變而改變22/29溶液(l)Bi(s)+溶液(l)Cd(s)+溶液(l)Bi(s)+Cd(s)0.20.40.60.8wCd→CEHF546K413K596KBi0ANBQCd1MGW冷卻過程分析C點(diǎn)以上：單一液相冷卻，f*=2；C點(diǎn)：溶液開始析出固體Cd，冷卻曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，f*=1；C點(diǎn)至K點(diǎn)：溫度不斷降低，溶液中不斷析出固體Cd，液相組成沿CE線變化，f*=1；K點(diǎn)：溫度下降到共晶溫度TE，液相組成為E點(diǎn)，液相中同時析出固體Cd和固體Bi，三相共存，體系溫度保持不變，冷卻曲線出現(xiàn)平臺，f*=0

;K點(diǎn)以下：液相全部凝固，固體Cd和固體Bi的兩相混合物繼續(xù)冷卻，溫度重新開始下降，f*=1;

7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖ll+s(Cd)l+s(Cd)+s(Bi)

WCKW's(Cd)+s(Bi)23/29相含量計算方法：找到物系點(diǎn)、相點(diǎn)，利用杠桿定律7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖體系降溫到達(dá)O點(diǎn)：物系點(diǎn)為O，溶液和固體Cd的質(zhì)量之比為：

上述體系降溫剛到413K

固體Cd和固體Bi的質(zhì)量之比：

物系點(diǎn)為K，溶液和固體Cd的質(zhì)量之比為：上述體系在413K共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束相點(diǎn)為E和M相點(diǎn)為N和M，相點(diǎn)為F和D24/29FDO思考：單獨(dú)析出的固體Cd與共晶轉(zhuǎn)變生成的固體Cd質(zhì)量之比是多少？冰+溶液溶液T/K把粗鹽在高溫度下配制成溶液a，濾除不溶性雜質(zhì)；溶液降溫至b時，開始析出純(NH4)2SO4晶體；降溫到接近三相線的c點(diǎn)時，取出(NH4)2SO4晶體；將飽和溶液d重新升溫至e，又變?yōu)椴伙柡腿芤海患尤氪蛀}，使物系點(diǎn)回到a，重復(fù)上述操作；7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖簡單低共熔混合物相圖應(yīng)用I——重結(jié)晶法提純粗鹽25/29Hall-Heronlt法(霍爾-赫羅爾特)鐵坩堝(陰極)石墨陽極電阻爐石墨坩堝電解質(zhì)液態(tài)鋁電解槽示意圖加熱電解槽，形成液態(tài)熔融電解質(zhì)；石墨陽極浸入電解質(zhì)中，鐵坩堝-石墨坩堝形成陰極；直流電作用下，電解質(zhì)中Al3+向陰極遷移，在陰極得到電子，還原成液態(tài)金屬鋁；陽極極發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2；電解質(zhì)原材料如何選擇？7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖簡單低共熔混合物相圖應(yīng)用II——熔鹽電解法制備鋁26/29Na3AlF6冰晶石(Na3AlF6)—氧化鋁(Al2O3)相圖

鋁土礦：氧化鋁(Al2O3)含量40-70%

選擇冰晶石(Na3AlF6)+氧化鋁(Al2O3)熔鹽做為電解質(zhì)7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖簡單低共熔混合物相圖應(yīng)用II——熔鹽電解法制備鋁27/29Al2O3Na3AlF6工業(yè)電解槽中溫度比電解質(zhì)熔點(diǎn)高10~20oC，一般約在970~980oC；Al2O3在電解質(zhì)中的濃度控制在共晶成分附近稍偏I(xiàn)區(qū)；Al2O3濃度增高有利電解過程中得到更多的Al；Al2O3濃度增高，融鹽的熔化溫度急增，電能消耗大；Al2O3濃度增高，如溫度稍有降低，Al2O3就以固態(tài)析出，不利于電解；7.7.1形成簡單低共熔混合物的相圖簡單低共熔混合物相圖應(yīng)用II——熔鹽電解法制備鋁冰晶石(Na3AlF6)—氧化鋁(Al2O3)相圖28/29Al2O3掌握杠桿定律計算兩相含量的方法。掌握部分混溶