二組分凝聚系統(tǒng)相圖PPT學(xué)習教案

1、會計學(xué)1二組分凝聚系統(tǒng)相圖二組分凝聚系統(tǒng)相圖6.1 6.1 相律相律6.2 6.2 單組分系統(tǒng)的相圖單組分系統(tǒng)的相圖6.3 6.3 二組分液態(tài)混合物的氣二組分液態(tài)混合物的氣- -液平衡相圖液平衡相圖6.4 6.4 二組分凝聚系統(tǒng)相圖二組分凝聚系統(tǒng)相圖6.5 6.5 二組分系統(tǒng)復(fù)雜相圖的分析二組分系統(tǒng)復(fù)雜相圖的分析第1頁/共52頁上次課內(nèi)容回顧上次課內(nèi)容回顧相律相律 F F 如果已指定某個強度變量，除該變量以外的如果已指定某個強度變量，除該變量以外的其它強度變量數(shù)稱為其它強度變量數(shù)稱為條件自由度條件自由度，用，用 表示。表示。*f*1ff*2ff例如：指定了壓力例如：指定了壓力指定了壓力和溫度指

2、定了壓力和溫度第2頁/共52頁相點相點物系點物系點 單相區(qū)，物系點與相點重合；兩相區(qū)中，只有單相區(qū)，物系點與相點重合；兩相區(qū)中，只有物系點，它對應(yīng)的兩個相的組成由對應(yīng)的相點表示物系點，它對應(yīng)的兩個相的組成由對應(yīng)的相點表示 表示某個相狀態(tài)（如相態(tài)、組成、溫度等）表示某個相狀態(tài)（如相態(tài)、組成、溫度等）的點稱為相點。的點稱為相點。 相圖中相圖中表示系統(tǒng)總狀態(tài)的點稱為物系點表示系統(tǒng)總狀態(tài)的點稱為物系點。在。在T-x圖上，物系點可以沿著與溫度坐標平行的垂線上、圖上，物系點可以沿著與溫度坐標平行的垂線上、下移動；在水鹽相圖上，隨著含水量的變化，物系下移動；在水鹽相圖上，隨著含水量的變化，物系點可沿著與組成

3、坐標平行的直線左右移動。點可沿著與組成坐標平行的直線左右移動。第3頁/共52頁在T-x圖上，由nA和nB混合成的物系的組成為xA 落在DE線上所有物系點的對應(yīng)的液相和氣相組成，都由D點和E點的組成表示。*b,AT*b,BTAB/KT定壓1xAxDEglg-lF1T2x加熱到T1溫度，物系點C 落在兩相區(qū)AxC DE線稱為等溫連結(jié)線第4頁/共52頁Ax*b,AT*b,BTAB/KT定壓1xAxDEglg-lF1T2xC 液相和氣相的數(shù)量借助于力學(xué)中的杠桿規(guī)則求算 以物系點為支點，支點兩邊連結(jié)線的長度為力矩，計算液相和氣相的物質(zhì)的量或質(zhì)量這就是杠桿規(guī)則，可用于任意兩相平衡區(qū)lgn CDnCElgm

4、 CDmCE或 ()(l)(g)nnn總?cè)粢阎?()(l)(g)mmm總可計算氣、液相的量 第5頁/共52頁7理想系統(tǒng)理想系統(tǒng)真實系統(tǒng)真實系統(tǒng)一般正偏差一般正偏差最大正偏差最大正偏差一般負偏差一般負偏差最大負偏差最大負偏差液態(tài)完全互溶系液態(tài)完全互溶系統(tǒng)統(tǒng) p-x、t-x圖圖液態(tài)部分互溶系液態(tài)部分互溶系統(tǒng)統(tǒng)t-x圖圖氣相組成介于兩液相之氣相組成介于兩液相之間間氣相組成位于兩液相同側(cè)氣相組成位于兩液相同側(cè)液態(tài)完全不互溶系統(tǒng)液態(tài)完全不互溶系統(tǒng)t-x圖圖第6頁/共52頁Ax*Ap*BpAB/Pap液相線氣相線g-llg*b,AT*b,BTAB/ KT定壓1xAxDEglg-lF1T2x第7頁/共52頁

5、(2)正偏差很大，在 p-x 圖上有最高點 由于A，B二組分對Raoult定律的正偏差很大，在p-x圖上形成最高點 在p-x圖上有最高點者，在T-x圖上就有最低點，這最低點稱為最低恒沸點BABxpgl定溫1x*Ap*BpTABBx定壓gl*AT*BT1x 處在最低恒沸點時的混合物稱為最低恒沸混合物第8頁/共52頁（3）負偏差在p-x圖上有最低點BABxpgl定溫C*Ap*BpTABBxC定壓gl*AT*BT 在T-x(y)圖上，處在最高恒沸點時的混合物稱為最高恒沸混合物 它是混合物而不是化合物，其組成在定壓下有定值。改變壓力，最高恒沸點的溫度及組成也隨之改變。第9頁/共52頁質(zhì)量分數(shù)等壓313

6、45300.20.40.60.81.02H O652C H NH2652H O-C H NH 的溶解度圖T/K單相兩相BC AAnA1TBT373DE（1）具有最高會溶溫度D點：苯胺在水中的飽和溶解度E點：水在苯胺中的飽和溶解度溫度升高，互溶程度增加B點水與苯胺完全互溶帽形區(qū)內(nèi)兩相共存 是最高會溶溫度BT第10頁/共52頁 在 (約為291.2K）以下，兩者可以任意比例互溶，升高溫度，互溶度下降，出現(xiàn)分層。BT（2）具有最低會溶溫度 水-三乙基胺的溶解度圖如圖所示。 以下是單一液相區(qū)，以上是兩相區(qū)。BT質(zhì)量分數(shù)30334300.20.40.60.81.0T/K單相323水三乙基胺水-三乙基胺的

7、溶解度圖等壓兩相BTB第11頁/共52頁（3）同時具有最高、最低會溶溫度水和煙堿的溶解度圖： 在最低會溶溫度 (約334 K)以下和在最高會溶溫度 (約481K)以上，兩液體完全互溶。cTcT 在這兩個溫度之間只能部分互溶，形成一個完全封閉的溶度曲線，曲線之內(nèi)是兩液相共存區(qū)。質(zhì)量分數(shù)37345300.20.40.60.81.0T/K單相413水煙堿水-煙堿的溶解度圖等壓兩相473cTcT cc第12頁/共52頁1. 熱分析法基本原理：二組分系統(tǒng) C=2，指定壓力不變，雙變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)無變量系統(tǒng)f * = C +1 -F=3 -FF = 1F = 2F = 3f * = 2f * = 1f

8、* = 06.4 6.4 二組分凝聚系統(tǒng)相圖二組分凝聚系統(tǒng)相圖第13頁/共52頁 首先將二組分固相系統(tǒng)加熱熔化，記錄冷卻過程中溫度隨時間的變化曲線，即步冷曲線 當系統(tǒng)有新相凝聚，放出相變熱，步冷曲線的斜率變小*1f出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點*0f出現(xiàn)水平線段 據(jù)此在T-x圖上標出對應(yīng)的位置，得到二組分低共熔T-x圖*2f*1f*1f*0fTt1. 熱分析法第14頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制1.0Bi1.0CdA ABaeH546596bCDD0.7CddFG0.4CdcEBi(s)+熔化物熔化物（單相）熔化物+Cd(s)AHCDFGEBi(s)+Cd(s)0.2Cd00.20.40.60.81CdBi

9、p/KT413413t/sCdwMMB第15頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制純Bi的步冷曲線/st/KTa546AB1. 加熱到a點，Bi全部熔化1*11fC 2. 冷至A點,固體Bi開始析出2*10fC *1f*0f*1f溫度可以下降溫度不能改變，為Bi熔點3. 全部變?yōu)楣腆wBi后1*11fC 溫度又可以下降純Cd步冷曲線與之相同第16頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制/st/KTbCD1. 加熱到b點,Bi-Cd全部熔化1*2 12f 2. 冷至C點,固體Bi開始析出2*2 11f *2f*1f*0f溫度可以下降,組成也可變溫度可以下降3.D點固體Bi、Cd同時析出3*2 10f 溫

10、度不能改變的步冷曲線(Cd)0.2w4.熔液消失,Bi和Cd共存2*2 11f 溫度又可下降*1f第17頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制/st/KTcE1. 加熱到c點,Bi、Cd全部熔化1*2 12f 2.冷至E點,Bi和Cd同時析出3*2 10f *2f*0f*1f溫度可以下降,組成也可變溫度不能改變的步冷曲線(Cd)0.4w3. 熔液消失,Bi和Cd共存2*2 11f 溫度又可下降第18頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制4完成Bi-Cd T-x相圖 連接A,C,E點,得到Bi(s)與熔液兩相共存的液相組成線 連接H,F,E點,得到Cd(s)與熔液兩相共存的液相組成線 連接D,E,G

11、點，得到Bi(s),Cd(s)與熔液共存的三相線；熔液的組成由E點表示。這樣就得到了Bi-Cd的T-x圖。第19頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制 圖上有4個相區(qū)： 1. AEH線之上， 熔液(l)單相區(qū)*2f2. ABE之內(nèi)， Bi(s)+ l 兩相區(qū)*1f3. HEM之內(nèi)， Cd(s)+ l 兩相區(qū)*1f4. BEM線以下， Bi(s)+Cd(s)兩相區(qū)*1f第20頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制有三條多相平衡曲線1. ACE線，Bi(s)+熔液 共存時的熔液組成線。2. HFE線，Cd(s)+熔液 共存時的熔液組成線。3. BEM線，Bi(s)+熔液+ Cd(s) 三相平衡線，三個

12、相的組成分別由B，E，M三個點表示。第21頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制有三個特殊點： A點是純Bi(s)的熔點 H點是純Cd(s)的熔點E點是Bi(s)+熔液+Cd(s)三相共存點。 因為E點溫度均低于A點和H點的溫度，稱為低共熔點在該點析出的混合物稱為低共熔混合物它不是化合物，由兩相組成，僅混合得非常均勻E點的溫度會隨外壓的改變而改變在這T-x圖上，E點僅是某壓力下的一個截點第22頁/共52頁Cd-Bi二元相圖的繪制 下面的小圖標是金相顯微鏡的觀察結(jié)果 后析出的固體鑲嵌在先析出固體的結(jié)構(gòu)之中純Bi(s)與純Cd(s)有其自身的金屬結(jié)構(gòu) 低共熔物有致密的特殊結(jié)構(gòu),兩種固體呈片狀或粒狀均

13、勻交錯在一起,這時系統(tǒng)有較好的強度第23頁/共52頁2. 溶解度法 溶解度法主要繪制水-鹽系統(tǒng)相圖N定壓BCAL冰+溶液424(NH ) SO溶液(s)+ 溶液單相4242(NH ) SOH O (s)(s)+4242(NH ) SOH O相圖的繪制00.20.40.60.81.02A(H O)424B (NH ) SOBw273233253293313333353373T/K第24頁/共52頁2. 溶解度法圖中有四個相區(qū)：LAN 以上溶液單相區(qū)LAB 之內(nèi)冰+溶液兩相區(qū) NAC 以上，BAC 線以下，N定壓BCAL冰+溶液424(NH ) SO溶液(s)+ 溶液單相4242(NH ) SOH

14、 O (s)(s)+00.20.40.60.81.02A(H O)424B (NH ) SOBw273233253293313333353373T/K與溶液兩相區(qū)424(NH ) SO (s)冰與 兩相區(qū) 424(NH ) SO (s)第25頁/共52頁2. 溶解度法N定壓BCAL冰+溶液424(NH ) SO溶液(s)+ 溶液單相4242(NH ) SOH O (s)(s)+00.20.40.60.81.02A(H O)424B (NH ) SOBw273233253293313333353373T/K有三條兩相交界線：LA線 冰+溶液兩相共存時，溶液的組成曲線，也稱為冰點下降曲線。AN線

15、+溶液兩相共存時，溶液的組成曲線，也稱為鹽的飽和溶度曲線。s)(SO)NH(424BAC線 冰+ +溶液三相共存線。s)(SO)NH(424第26頁/共52頁2. 溶解度法N定壓BCAL冰+溶液424(NH ) SO溶液(s)+ 溶液單相4242(NH ) SOH O (s)(s)+00.20.40.60.81.02A(H O)424B (NH ) SOBw273233253293313333353373T/K有兩個特殊點：L點 冰的熔點 鹽的熔點極高，受溶解度和水的沸點限制，在圖上無法標出A點 冰+溶液三相共存點4 24(NH ) SO (s) 溶液組成在A點以左者冷卻，先析出冰；424(N

16、H ) SO (s)在A點以右者冷卻，先析出 第27頁/共52頁2. 溶解度法N定 壓BCAL冰+溶液424(NH ) SO溶 液(s)+ 溶液單相4242(NH ) SOH O (s)(s)+00.20.40.60.81.02A(H O)424B (NH ) SOBw273233253293313333353373T/KSZROY(l)(s)mRZmRY第28頁/共52頁 冷卻至Q點，有精鹽析出。 母液中的可溶性雜質(zhì)過一段時間要處理或換新溶劑 再升溫至O點，加入粗鹽，濾去固體雜質(zhì)，使物系點移到S點，再冷卻，如此重復(fù)，將粗鹽精制成精鹽。 將粗 鹽精制。首先將粗鹽溶解，加溫至353 K，濾去不溶

17、性雜質(zhì)，設(shè)這時物系點為S4 24(NH ) SO424(NH ) SO 繼續(xù)降溫至R點（R點盡可能接近三相線，但要防止冰同時析出），過濾，得到純 晶體，濾液濃度相當于y點。第29頁/共52頁 在化工生產(chǎn)和科學(xué)研究中常要用到低溫浴，配制合適的水-鹽系統(tǒng)，可以得到不同的低溫冷凍液NaCl(s)-OH2) s (CaCl-OH22KCl(s)-OH2水鹽系統(tǒng) 低共熔溫度252 K218 K262.5 K257.8 KCl(s)NH-OH42 在冬天，為防止路面結(jié)冰，撒上鹽，實際用的就是冰點下降原理。第30頁/共52頁 兩個組分在固態(tài)和液態(tài)時能彼此按任意比例互溶而不生成化合物，也沒有低共熔點。稱為完全

18、互溶固溶體。Au-Ag,Cu-Ni,Co-Ni體系屬于這種類型。 兩種物質(zhì)形成的液態(tài)混合物冷卻凝固后，若兩種物質(zhì)形成以分子、原子或離子大小均勻混合成一種固相，則此固相為固態(tài)混合物（即固溶體）或（固態(tài)溶液）。 當兩種物質(zhì)具有同種晶型，分子、原子、離子大小相近時，一種物質(zhì)晶體中的這些粒子可以被另一種物質(zhì)的相應(yīng)粒子以任意比例取代時，即能夠形成固態(tài)溶液。第31頁/共52頁 兩個組分在固態(tài)和液態(tài)時能彼此按任意比例互溶而不生成化合物，也沒有低共熔點。 以Au-Ag相圖為例梭形區(qū)之上是熔液單相區(qū)梭形區(qū)之下是固體溶液單相區(qū)梭形區(qū)內(nèi)固-液兩相共存上面是熔液組成線，下面是固溶體組成線。第32頁/共52頁34Ni(

19、B)Cu(A) 開始析出固相開始析出固相液相消失液相消失液相降溫液相降溫液相不斷凝固液相不斷凝固固相降溫固相降溫冷卻曲線冷卻曲線第33頁/共52頁 當物系從A點冷卻，進入兩相區(qū)，析出組成為B的固溶體。 繼續(xù)冷卻，液相組成沿 AA1A2 線變化，固相組成沿 BB1B2 線變化 因為Au的熔點比Ag高，固相中含Au較多，液相中含Ag較多。 在B2點對應(yīng)的溫度以下，液相消失。 第34頁/共52頁枝晶偏析 固-液兩相不同于氣-液兩相，析出晶體時，不易與熔化物建立平衡。 由于固相組織的不均勻性，會影響合金的性能。 較早析出的晶體含高熔點組分較多，形成枝晶，后析出的晶體含低熔點組分較多，填充在最早析出的枝

20、晶之間，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。第35頁/共52頁退火 為了使固相合金內(nèi)部組成更均一，就把合金加熱到接近熔點的溫度，保持一定時間，使內(nèi)部組分充分擴散，趨于均一，然后緩慢冷卻，這種過程稱為退火。退火是金屬工件制造工藝中的重要工序。第36頁/共52頁淬火（quenching） 在金屬熱處理過程中，使金屬突然冷卻，來不及發(fā)生相變，保持高溫時的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這種工序稱為淬火。例如，某些鋼鐵刀具經(jīng)淬火后可提高硬度。第37頁/共52頁完全互溶固溶體出現(xiàn)最低或最高點 當兩種組分的粒子大小和晶體結(jié)構(gòu)不完全相同時，它們的T-x圖上會出現(xiàn)最低點或最高點。第38頁/共52頁 例如： 等系統(tǒng)會出現(xiàn)最低點。但出現(xiàn)最高點的系統(tǒng)

21、較少。2323Na CO -K CO ,Au-CuSb,-AgKCl-KBr第39頁/共52頁 兩個組分在液態(tài)可無限混溶，而在固態(tài)只能部分互溶，形成類似于部分互溶雙液系的帽形區(qū)。在帽形區(qū)外，是固溶體單相，在帽形區(qū)內(nèi)，是兩種固溶體兩相共存。 屬于這種類型的相圖形狀各異，現(xiàn)介紹兩種類型：（1）有一低共熔點；（2）有一轉(zhuǎn)熔溫度。第40頁/共52頁42(B)CuAlAl(A)2 bSB溶于溶于A的固溶體的固溶體SA溶于溶于B的固溶體的固溶體b(1)系統(tǒng)有一低共熔點系統(tǒng)有一低共熔點三相平衡線：三相平衡線：l + 冷卻冷卻加熱加熱第41頁/共52頁43e e 的冷卻曲線的冷卻曲線: :l + e液相降溫液

22、相降溫同時析出同時析出 + + 相相液相消失液相消失 + + 的降溫的降溫e第42頁/共52頁33KNOTiNO( )的相圖 固態(tài)部分互溶且有低共熔點c等 壓A6235234230f/KTgdbjak1.0eIHD固溶體 （單相）ECBFJ固溶體 （單相）3(TiNO )x3KNO (A)3TiNO (B)熔液（單相）G(1) 有一低共熔點者第43頁/共52頁(1) 有一低共熔點者相圖上有三個單相區(qū)：AEB線以上，熔液單相區(qū)有三個兩相區(qū)：AEJ區(qū)，熔液 + AJ是固溶體的組成曲線；AJF以左，固溶體單相BCG以右，固溶體單相BEC區(qū)，熔液 + FJECG區(qū)，+ AE，BE是熔液組成線；BC是固溶體的組成曲線；JEC線為三相共存線c等 壓A6235234230f/KTgdbjak1 .0eIHD固溶體 （單相）ECBFJ固溶體 （單相）3(TiNO )x3KNO (A)3TiNO (B)熔液（單相）G第44頁/共52頁46A wB BtQPbll+ l+ + S2S1L(2)系統(tǒng)有一轉(zhuǎn)變溫度系統(tǒng)有一轉(zhuǎn)變溫度aa三相平衡線：三相平衡線： l析出析出l 消失消失析出析出l 消失消失