本書分兩部分,前半部分主要介紹熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)第三定律和熱力學(xué)函數(shù)及基本關(guān)系式等內(nèi)容,重點(diǎn)講解熱力學(xué)三大定律及熱力學(xué)性質(zhì)和函數(shù)間的關(guān)系,其目的是鞏固和強(qiáng)化材料熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論。后半部分主要講述多元系統(tǒng)熱力學(xué)、相平衡狀態(tài)圖、相圖熱力學(xué)分析與計算、相變熱力學(xué)、化學(xué)平衡及界面熱力學(xué)等內(nèi)容,重點(diǎn)講解材料熱力學(xué)在處理純物質(zhì)及溶體的相平衡、相變及界面問題中的應(yīng)用,目的是提升學(xué)生利用材料熱力學(xué)理論解決實(shí)際問題的能力。
本書可作為普通高等院校材料類本科生的教材,也可作為其他相關(guān)專業(yè)本科生或研究生的教學(xué)參考書。
重點(diǎn)講解材料熱力學(xué)在處理純物質(zhì)及溶體的相平衡、相變及界面問題中的應(yīng)用,目的是提升學(xué)生利用材料熱力學(xué)理論解決實(shí)際問題的能力。
前言
熱力學(xué)貫穿于材料研究的整個過程,現(xiàn)代材料科學(xué)的每一次進(jìn)步和發(fā)展都離不開熱力學(xué)的支撐和幫助,材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展是材料科學(xué)走向成熟的標(biāo)志之一。
材料熱力學(xué)課程是材料學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,也是世界一流大學(xué)材料類專業(yè)的必修課程。能熟練應(yīng)用材料熱力學(xué)知識來分析和解決材料科學(xué)中的問題,是材料類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具有的基本能力和素質(zhì)。
目前國內(nèi)已有多所高校在材料類專業(yè)本科生培養(yǎng)中開設(shè)了材料熱力學(xué)課程,但其教學(xué)用書或采用外文教材或自編講義,尚缺乏適合材料類專業(yè)本科生教學(xué)的高水平中文教材。此外,還有很大一部分高校的材料專業(yè)仍采用物理化學(xué)課程作為材料熱力學(xué)知識的教學(xué)支撐。物理化學(xué)原本是化學(xué)與化工學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課,雖然也涉及熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識,部分滿足了材料熱力學(xué)課程的教學(xué)要求,但由于其課程體系針對的是化學(xué)與化工學(xué)科,在課程內(nèi)容、知識框架、課程目標(biāo)等方面都與材料熱力學(xué)課程存在差異,無法完全滿足材料學(xué)科對于熱力學(xué)知識的需求。由于國內(nèi)材料熱力學(xué)課程體系建設(shè)相對落后,適合本科教學(xué)的教材缺失,采用物理化學(xué)替代材料熱力學(xué),也是很多高校的無奈之舉。
基于此,西北工業(yè)大學(xué)材料熱力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊在多年教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上,針對本科教學(xué)特點(diǎn)和材料熱力學(xué)知識邏輯體系,兼顧熱力學(xué)基礎(chǔ)知識及其在材料科學(xué)中應(yīng)用,編寫了本書。
熱力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用主要集中于兩點(diǎn):①通過平衡條件,分析材料體系平衡時的狀態(tài)特點(diǎn);②通過化學(xué)勢分析材料組織結(jié)構(gòu)演化的方向和驅(qū)動力。因此,本書以熱力學(xué)平衡條件和化學(xué)勢為紐帶,聯(lián)通熱力學(xué)基礎(chǔ)知識和材料科學(xué),構(gòu)建了以熱力學(xué)平衡條件和化學(xué)勢分析為核心的知識框架;將熱力學(xué)平衡條件的推導(dǎo),從傳統(tǒng)物理化學(xué)教材中的溶液熱力學(xué)章節(jié),前移至組成不變系統(tǒng)熱力學(xué)基本關(guān)系式后,使學(xué)生更早地接觸這一核心內(nèi)容;以熱力學(xué)平衡條件和化學(xué)勢分析為核心,貫穿后續(xù)相平衡狀態(tài)圖、相圖熱力學(xué)、相變熱力學(xué)、化學(xué)平衡及界面熱力學(xué)等章節(jié),從而實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識與材料科學(xué)的有機(jī)融合。同時,為強(qiáng)化熱力學(xué)與材料學(xué)科的關(guān)聯(lián),在熱力學(xué)三大定律及基礎(chǔ)知識部分,對自發(fā)概念、功與熱的計算等與材料研究相關(guān)性較弱的內(nèi)容進(jìn)行了精簡,對熵、吉布斯自由能、化學(xué)勢等重要概念及相關(guān)公式推導(dǎo)思路的闡釋進(jìn)行加強(qiáng),對狀態(tài)函數(shù)計算、基本關(guān)系式等繁多公式進(jìn)行了歸類整理;在相圖熱力學(xué)、相變熱力學(xué)、界面熱力學(xué)等章節(jié),對材料平衡狀態(tài)的分析方法以及材料加工過程中驅(qū)動力等內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)展。最終構(gòu)建基礎(chǔ)知識翔實(shí)、邏輯結(jié)構(gòu)清晰、與材料科學(xué)密切關(guān)聯(lián)的知識體系。
全書共計11章,包括熱力學(xué)基本定律、熱力學(xué)函數(shù)及基本關(guān)系式、多元系統(tǒng)熱力學(xué)、相平衡狀態(tài)圖、相圖的熱力學(xué)分析與計算、相變熱力學(xué)、化學(xué)平衡及界面熱力學(xué)等章節(jié),其中王錦程編寫了第1、2、11章,王海豐編寫了第3、4章,李俊杰編寫了第5~7章,南京理工大學(xué)吳鏘教授編寫了第8章并審閱了全書,王志軍編寫了第9章,林鑫編寫了第10章,劉建睿、何峰、王雷協(xié)助編寫了部分章節(jié)。
本書得到了西北工業(yè)大學(xué)教材出版基金資助,并入選工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材和高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會規(guī)劃教材,在此表示感謝!
習(xí)近平總書記指出:“當(dāng)今世界的競爭說到底是人才競爭、教育競爭”“我國要實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng),歸根結(jié)底要靠高水平創(chuàng)新人才”。材料熱力學(xué)課程作為材料類本科專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課,在材料領(lǐng)域創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。希望本書的出版能為國內(nèi)材料類專業(yè)本科教學(xué)與人才培養(yǎng)提供一定的幫助。
限于編者水平有限,書中如有取材不當(dāng)、敘述不清甚至錯誤之處,希望讀者批評指正,以便再版時得以更正。
高等院校教師
目錄
前言
第1章基本知識
1.1熱力學(xué)簡介
1.1.1熱力學(xué)基本內(nèi)涵
1.1.2熱力學(xué)發(fā)展歷史
1.1.3熱力學(xué)基本定律
1.1.4熱力學(xué)分類
1.1.5材料熱力學(xué)簡介
1.2熱力學(xué)基本概念
1.2.1系統(tǒng)與環(huán)境
1.2.2熱力學(xué)平衡狀態(tài)
1.2.3狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)
1.2.4廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)
1.2.5熱力學(xué)過程
1.2.6飽和蒸氣壓
1.2.7相與相圖
1.3氣體概述
1.3.1氣體狀態(tài)的描述
1.3.2理想氣體狀態(tài)方程
1.3.3實(shí)際氣體
1.4濃度的表示方法
1.5熱力學(xué)中常用的數(shù)學(xué)知識
1.5.1全微分
1.5.2常用關(guān)系式
習(xí)題
第2章熱力學(xué)第一定律
2.1熱平衡定律與熱力學(xué)溫標(biāo)
2.1.1熱平衡定律
2.1.2熱力學(xué)溫標(biāo)
2.2熱力學(xué)第一定律
2.2.1內(nèi)能
2.2.2熱和功
2.2.3熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式
2.3功的計算
2.3.1體積功的計算
2.3.2其他形式功的計算
2.4熱的計算
2.4.1等容熱效應(yīng)
2.4.2等壓熱效應(yīng)和焓
2.4.3熱容及簡單變溫過程熱的計算
2.5熱力學(xué)第一定律在理想氣體中的應(yīng)用
2.5.1理想氣體的內(nèi)能和焓
2.5.2理想氣體的熱容
2.5.3理想氣體的絕熱可逆過程
2.6熱力學(xué)第一定律在實(shí)際氣體中的應(yīng)用
2.6.1節(jié)流過程及焦耳-湯姆孫系數(shù)
2.6.2實(shí)際氣體的內(nèi)能和焓
2.7熱力學(xué)第一定律在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用
2.7.1化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度
2.7.2反應(yīng)熱及其計算
2.7.3化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)能變化
2.8熱力學(xué)第一定律在相變過程中的應(yīng)用
2.8.1可逆相變
2.8.2不可逆相變
習(xí)題
第3章熱力學(xué)第二、三定律
3.1過程的方向和限度
3.2熱力學(xué)第二定律的文字表達(dá)
3.3卡諾循環(huán)與卡諾定理
3.3.1卡諾循環(huán)
3.3.2卡諾定理
3.4熵與克勞修斯不等式
3.4.1熵的引出及定義
3.4.2克勞修斯不等式及其意義
3.4.3熵增原理
3.4.4不可逆熵的產(chǎn)生
3.5熵變的計算
3.5.1簡單物理過程的熵變
3.5.2相變過程的熵變
3.5.3混合過程的熵變
3.5.4環(huán)境熵變
3.6熵的統(tǒng)計概念
3.7熱力學(xué)第三定律
3.7.1能斯特?zé)岫ɡ?br>3.7.2熱力學(xué)第三定律
3.7.3規(guī)定熵的計算
習(xí)題
第4章熱力學(xué)函數(shù)及基本關(guān)系式
4.1亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能
4.1.1克勞修斯不等式的轉(zhuǎn)換
4.1.2亥姆霍茲自由能及其判據(jù)
4.1.3吉布斯自由能及其判據(jù)
4.2熱力學(xué)函數(shù)基本關(guān)系式
4.2.1熱力學(xué)基本方程
4.2.2特性函數(shù)
4.2.3對應(yīng)系數(shù)關(guān)系式
4.2.4麥克斯韋關(guān)系式
4.3熱力學(xué)基本關(guān)系式的應(yīng)用
4.3.1熱力學(xué)函數(shù)變化的計算
4.3.2熱力學(xué)性質(zhì)的證明
4.3.3純物質(zhì)兩相系統(tǒng)熱力學(xué)平衡條件的推導(dǎo)
4.4自由能的計算
4.4.1簡單物理過程
4.4.2相變過程
4.4.3理想混合過程
4.4.4吉布斯-亥姆霍茲方程
習(xí)題
第5章多元系統(tǒng)熱力學(xué)Ⅰ——基本熱力學(xué)描述
5.1多元均相系統(tǒng)的獨(dú)立變量數(shù)
5.2偏摩爾量
5.2.1偏摩爾量定義
5.2.2偏摩爾量的重要公式
5.2.3二元系統(tǒng)中偏摩爾量的確定
5.2.4多元系統(tǒng)中偏摩爾量的確定
5.3混合性質(zhì)
5.3.1混合性質(zhì)定義
5.3.2偏摩爾混合性質(zhì)
5.3.3混合性質(zhì)的實(shí)驗測定
5.4多元系統(tǒng)中的化學(xué)勢及熱力學(xué)平衡條件
5.4.1多元系統(tǒng)中組元的化學(xué)勢及熱力學(xué)基本關(guān)系式
5.4.2多元多相系統(tǒng)熱力學(xué)平衡的一般條件
習(xí)題
第6章多元系統(tǒng)熱力學(xué)Ⅱ——化學(xué)勢表達(dá)式及其應(yīng)用
6.1理想氣體的化學(xué)勢
6.1.1純理想氣體的化學(xué)勢公式
6.1.2理想氣體混合物的化學(xué)勢公式
6.1.3理想氣體的混合性質(zhì)
6.2實(shí)際氣體的化學(xué)勢
6.2.1逸度及逸度系數(shù)
6.2.2逸度與逸度系數(shù)的確定
6.3溶液中組元化學(xué)勢表達(dá)式推導(dǎo)的一般思路
6.4理想溶液和拉烏爾定律
6.4.1拉烏爾定律與理想溶液中組元的蒸氣壓
6.4.2理想溶液中組元的化學(xué)勢
6.4.3理想溶液的混合性質(zhì)
6.5稀溶液和亨利定律
6.5.1亨利定律與稀溶液中溶質(zhì)的蒸氣壓
6.5.2稀溶液中組元的化學(xué)勢
6.5.3依數(shù)性
6.6實(shí)際溶液
6.6.1活度與活度系數(shù)
6.6.2實(shí)際溶液各組元的化學(xué)勢
6.6.3關(guān)于化學(xué)勢和活度的總結(jié)
6.6.4活度的測定與計算
6.6.5實(shí)際溶液的混合性質(zhì)與過剩性質(zhì)
習(xí)題
第7章相平衡狀態(tài)圖
7.1相律
7.2一元系相圖
7.2.1水的相圖
7.2.2其他典型的一元系相圖
7.3二元系相圖概述
7.4二元系氣-液相圖
7.4.1理想溶液的氣-液相圖
7.4.2非理想溶液的氣-液相圖
7.4.3杠桿定律
7.5二元系液-液相圖
7.6二元系固-液及固-固相圖
7.6.1固-液系統(tǒng)相圖的實(shí)驗測繪
7.6.2具有簡單低共熔混合物的相圖
7.6.3具有化合物的相圖
7.6.4具有固溶體的相圖
7.6.5二元系復(fù)雜相圖識別的一般方法
7.7三元系相圖
習(xí)題
第8章相圖的熱力學(xué)分析與計算
8.1一元系相圖熱力學(xué)分析
8.1.1一元系的吉布斯自由能
8.1.2一元系相平衡分析
8.1.3一元系兩相平衡溫度與壓力關(guān)系的推導(dǎo)
8.2二元系中常用的吉布斯自由能模型
8.2.1溶液的吉布斯自由能模型
8.2.2化合物相的自由能模型
8.2.3磁性有序?qū)妓棺杂赡艿呢暙I(xiàn)
8.3二元系的相平衡
8.3.1相平衡分析判據(jù)
8.3.2多相共存時系統(tǒng)的摩爾吉布斯自由能
8.3.3理想溶液穩(wěn)定性
8.3.4規(guī)則溶液穩(wěn)定性
8.3.5實(shí)際溶液穩(wěn)定性
8.3.6多相系統(tǒng)相平衡分析
8.4二元系相圖計算
8.4.1二元相圖計算的基本思路
8.4.2勻晶相圖計算
8.4.3簡單低共熔型相圖計算
8.4.4基于規(guī)則溶液模型的各種形式相圖
8.4.5包含化合物的相圖計算
8.4.6實(shí)際復(fù)雜相圖計算簡介
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