Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Biểu đồ pha - Cao Xuân Việt

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Biểu đồ pha - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về một số khái niệm, quy tắc pha Gibbs, biến đổi pha xét theo vi phân thế hóa, phương trình Claudius – Clapeyron,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Biểu đồ pha - Cao Xuân ViệtCƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU TS. Cao Xuân Việt BIỂU ĐỒ PHABIỂU ĐỒ PHA BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệm• Biểu đồ pha: biểu đồ trạng thái cân bằng.• Đồ thị thể hiện quan hệ giữa các tham số trạng thái (T, P, c) của hệ hóa lý cân bằng.• Dùng số liệu thực nghiệm → có thể tồn tại nhiều dạng biểu đồ pha mô tả một hệ thực.• Silicate là hệ ngưng tụ, không xét pha khí. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệmBiểu đồ pha thể hiện các thông tin cơ bản:• Đặc trưng hệ: các hợp chất hóa học, Tnc và Tkt , vùng tạo dung dịch rắn, phân lớp lỏng (thiên tích), sự biến đổi thù hình…• Xác định và tính toán định lượng thành phần pha ở những khoảng nhiệt độ khác nhau khi cân bằng lỏng – rắn.• Ước lượng khoảng nhiệt độ nung kết khối của vật liệu. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệm• Hệ: tập hợp các phần tử các đối tượng nghiên cứu, phân biệt với các hệ khác hoặc môi trường ngoài bằng biên giới phân chia.• Hệ nhiệt động: đặc trưng bằng các tham số trạng thái như T, P, V, c,...• Pha: phần hệ có cùng thông số hóa lý và nhiệt động, phân biệt với các pha khác bằng bề mặt phân chia pha.• Cấu tử: phần hợp thành hệ nhưng có thể tách rời và tồn tại riêng ngoài hệ. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệm• Số cấu tử độc lập: phần hợp thành nhỏ nhất đủ để tạo nên một phần bất kỳ của hệ.• Phần hợp thành: các pha khác nhau tạo nên hệ.• Số cấu tử độc lập: bằng số phần hợp thành hệ trừ đi số phương trình liên hệ giữa chúng.• Bậc tự do: số tham số trạng thái độc lập nhỏ nhất xác định trạng thái của hệ, hoặc số thông số nhiệt động có thể biến đổi mà không làm thay đổi trạng thái cân bằng của hệ.• Số bậc tự do: có thể tính theo quy tắc pha Gibbs. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệm• Dung dịch rắn: hệ chất rắn đồng nhất với thành phần biến đổi gồm từ 2 cấu tử trở lên. Dung dịch rắn thế. Dung dịch rắn lẫn. Dung dịch rắn thiếu.• Chất tan: nguyên tố có lượng ít,• Dung môi: nguyên tố có lượng nhiều.• Cấu trúc tinh thể thường giống dung môi nhưng thông số mạng thay đổi. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệmPha điện tử:• Hợp chất có nồng độ điện tử (số điện tử hóa trị thực tính cho 1 nguyên tử) xác định: 3/2 (21/14) 21/13 và 7/4 (21/12)• Mỗi tỷ lệ ứng với một cấu trúc mạng xác định.• Ví dụ: Hệ Zn – Cu. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệmPha Laves:• 2 cấu tử A và B có tỷ số đường kính dA/dB ≈ 1,2• Công thức: AB2.• Ví dụ: CuAl2, MgZn2, MgNi2… A B BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệmPha Grimm:• Số electron hóa trị trung bình trong mỗi nguyên tử bằng 4.• Các phần tử nằm trong cấu trúc tứ diện. BIỂU ĐỒ PHA Một số khái niệmPha xen kẽ:• Tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (rK lớn) với, các phi kim C,N,B,H (rA nhỏ)• Tạo thành carbite, nitrite, borite, hydrite (WC, TiC, W2C, Mo2C, Fe3C, Fe3N, Fe4N).• Phân biệt với dung dịch rắn xen kẽ. BIỂU ĐỒ PHA Quy tắc pha Gibbs• Quan hệ F, P và k của hệ cân bằng.• Hệ có k cấu tử, thế hóa μi của từng cấu tử phải bằng nhau:  G  i     n i T,P,n ji 1a  1b  ....  1P   a   2   b2  ....   P2   ........ BIỂU ĐỒ PHA Quy tắc pha Gibbs• Cần (k – 1) yếu tố xác định thành phần mỗi pha.• Hệ P pha cần P(k – 1) yếu tố.• Tính cả T và P, có P(k – 1) + 2 yếu tố biến đổi.• Có k(P – 1) phương trình thế hóa.Vậy:• Số yếu tố có thể biến đổi: P(k – 1) + 2• Số yếu tố cố định theo thế hóa: k(P – 1)Số thực sự có thể biến đổi: F = [P(k – 1) + 2] – [k(P – 1)] = k – P + 2 BIỂU ĐỒ PHA Quy tắc pha Gibbs F+P=K+2Trong đó: • F: số bậc tự do (số thông số trạng thái có thể biến đổi mà không làm thay đổi cân bằng của hệ). • P: số pha • K: số cấu tử • 2: gợi ý cả hai thông số nhiệt độ và áp suất có thể biến đổi. BIỂU ĐỒ PHA• K = 1, nếu P = 1, suy ra F = 2.• Có 2 thông số trạng thái có thể biến đổi mà không làm thay đổi cân bằng.• Nếu P = 2, ta có F = 1.• Chỉ có thể biến đổi 1 thông số nhiệt động của hệ (T hoặc P).• Nếu P = 3 (điểm chạc 3 cân bằng rắn – lỏng – khí)• F = 0.• Không thể biến đổi thông số nhiệt động nào (T, P hoặc c) nếu muốn hệ cân bằng. BIỂU ĐỒ PHA Biến đổi pha xét theo vi phân thế hóa• Hệ một cấu tử: n = 1• Thế hóa đơn chất dạng a là hàm của T và P: ...