熱力學與動力學往年考試整理

1、判斷題：由亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變不需要推動力。X壓力可以改變材料的結構，導致材料發(fā)生相變。V對于凝聚態(tài)材料，隨著壓力升高，熔點提高。V熱力學第三定律指出：在0K時任何純物質(zhì)的熵值等于零。X在高溫下各種物質(zhì)顯示相同的比熱。V溶體的性質(zhì)主要取決于組元間的相互作用參數(shù)。V金屬和合金在平衡態(tài)下都存在一定數(shù)量的空位，因此空位是熱力學穩(wěn)定的缺陷。V固溶體中原子定向遷移的驅(qū)動力是濃度梯度。X溶體中析出第二相初期，第二相一般與母相保持非共格以降低應變能。X相變過程中如果穩(wěn)定相的相變驅(qū)動力大于亞穩(wěn)相，一定優(yōu)先析出。X根據(jù)理查德規(guī)則，所有純固體物質(zhì)具有大致相同的熔化熵。合金的任何結構轉(zhuǎn)變都可以通過應力驅(qū)動來實現(xiàn)。在馬

2、氏體相變中，界面能和應變能構成正相變的阻力，但也是逆相變的驅(qū)動力。在高溫下各種純單質(zhì)固體顯示相同的等容熱容。二元溶體的混合熵只和溶體的成分有關，與組元的種類無關。材料相變形核時，過冷度越大，臨界核心尺寸越大。二元合金在擴散時，兩組元的擴散系數(shù)總是相同。焓具有能量單位，但它不是能量，也不遵守能量守恒定律；但是系統(tǒng)的焓變可由能量表達。對于凝聚態(tài)材料，隨著壓力升高，熔點提高,BCCFCC轉(zhuǎn)變溫度也升高。由于馬氏體相變屬于無擴散切變過程，因此應力可以促發(fā)形核和相變。簡答題：1一般具有同素異構轉(zhuǎn)變的金屬從高溫冷卻至低溫時，其轉(zhuǎn)變具有怎樣的體積特征？試根據(jù)高溫和低溫下自由能與溫度的關系解釋此現(xiàn)象。有一種具

3、有同素異構轉(zhuǎn)變的常用金屬和一般金屬所具有的普遍規(guī)律不同，請指出是那種金屬？簡要解釋其原因？（8分）答：在一定溫度下元素的焓和熵隨著體積的增加而增大，因此疏排結構的焓和熵大于密排結構。G=H-TS,低溫下，TS項貢獻很小，G主要取決于H。而疏排結構的H大于密排結構，疏排結構的自由能G也大于密排結構。所以低溫下密排結構是穩(wěn)定相。高溫下，G主要取決于TS項，而疏排結構的熵大于密排結構，其自由能G則小于密排結構。因此高溫下疏排結構是穩(wěn)定相。幾乎所有具有同素異構轉(zhuǎn)變的金屬都服從這個規(guī)律，真正可以稱為例外的，不是什么特別的金屬，而是在人類文明史上扮演了最重要作用的金屬，F(xiàn)e。鐵是具有磁性的金屬，磁性自由能

4、的貢獻是使得鐵不服從上述規(guī)律的重要原因。2金屬和合金在平衡態(tài)下存在一定數(shù)量的空位，因此有人說一定數(shù)量的空位是金屬和合金中的熱力學穩(wěn)定缺陷，此說法是否正確？根據(jù)空位數(shù)量對自由能及其組成要素（焓和熵）的影響方式，從熱力學角度進行簡要解釋。（8分）答：當晶體中引入一定數(shù)量的空位時，比沒有空位時更低一些。這時，空位是熱力學穩(wěn)定缺陷?？瘴辉黾訒r晶體的焓和熵均增大，由于G=H-TS,因此在某個空位濃度將出現(xiàn)自由能的最小值，此時的空位濃度為平衡濃度。3.試舉出三種二元溶體模型；簡要指出各溶體模型的原子相互作用能IAB的特征。（6分）根據(jù)下圖a）中給出的成分一自由能曲線，在自由能曲線上指出穩(wěn)定區(qū)，亞穩(wěn)區(qū)和失穩(wěn)

5、區(qū)；并在圖中b）簡單匯出可能的溶解度曲線和失穩(wěn)分解曲線，并標注出溶解度曲線和失穩(wěn)分解曲線。體濃度的函數(shù)。I5IXF答：理想溶體模型，規(guī)則溶體模型和亞規(guī)則溶體模型。對于理想溶體模型，Iab=0;對于規(guī)則溶體模型，IAb為不等于0的常數(shù)；對于亞工作溶體模型，Iab為溶4試利用給出的a,b兩種溶體Gm-X圖中化學勢的圖解示意圖，指出兩種溶體的擴散特征有什么不同；那一種固溶體中會發(fā)生上坡擴散。(7分)(a)(b)答：固溶體中原子定向遷移的驅(qū)動力是化學勢梯度，而不是濃度梯度。左圖中的化學勢的梯度和濃度梯度方向一致，因此元素沿著濃度方向遷移，不發(fā)生上坡擴散；右圖中的化學勢梯度和濃度梯度的方向不一致，因此表

6、現(xiàn)出和濃度梯度的方向相反的元素遷移，即上坡擴散。5.向Cu中加入微量的Bi、As合金時所產(chǎn)生的效果完全不同。加入微量的Bi會使Cu顯著變脆，而電阻沒有顯著變化，加入微量的As并不會使Cu變脆，但答：從相圖可以看出，Bi在Cu中的溶解度可以忽略，加入微量的Bi會出現(xiàn)純組元Bi,并分布在晶界，使Cu變脆；As在Cu中有一定的溶解度，添加微量的As不會有第二相Cu3Au析出，因此不會使得Cu脆化，但是能提高電阻。6將固溶體相和晶界相視為兩相平衡狀態(tài)，如果已知上述兩相的自由能成分曲線，指出：采用什么方法或法則來確定兩相的平衡成分？一般來說，兩相的平衡溶質(zhì)成分具有怎樣的關系？(5分)答：采用平行線法則。

7、一般來說，晶界相的自由能曲線高于晶內(nèi)相的自由能曲線，因此由平行線法則確定的晶界相的平衡濃度高于晶內(nèi)相的平衡濃度。7簡要回答什么是耗散結構以及產(chǎn)生耗散結構的必要條件；舉出2個自組織現(xiàn)象的實例。(6分)答：自然界中自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象，開放系統(tǒng)，遠離平衡態(tài)，非線性作用，漲落作用。貝納德對流實驗，云街。8在相變形核階段，體積自由能、界面能以及應變能中哪些是相變的驅(qū)動力？哪些是相變的阻力？試解釋：在形核階段，形核的總自由能為正值，為什么核心能形成呢？以馬氏體為例，在核心長大階段的自由能以及界面能和應變能如何變化？(8分)答：在相變形核階段，體積自由能是相變的驅(qū)動力，界面能和應變能是相變的阻力。在形核

8、階段，雖然形核的總自由能為正值，但是由于能量起伏，可使得核胚達到臨界尺寸以形核。在馬氏體核心長大階段，界面能的貢獻逐漸減小，而應變能逐漸增加，相變驅(qū)動力增加。9.根據(jù)過飽和固溶體中析出第二相時的相平衡關系或者Gibbs-Thomson方程，簡要說明第二相粒子粗化過程；從溫度對長大速率和對擴散兩個方面的影響，簡要說明溫度對粒子粗化的作用。D-C(a)2V11Qdr/dt二0(-)(1+Jb)(-)D=Dexp(蘭)rRTrr0KTa答：設兩個半徑不等的相鄰B相顆粒析出于o相中。根據(jù)Gibbs-Thomson方程可知，o固溶體溶解度與B相的半徑r有關。IC(r)2丫Vlno=bC(-)RTro如果

9、析出顆粒為r時的溶質(zhì)B在o相中的溶解度和析出物為無限大時的溶解度相差不是很大，那么，2yVC(r)-C(-)-(1+J-b)ooRTr由此可見，p相顆粒的半徑越小，與p相平衡的a相中的B原子的溶解度就越大。如果p相顆粒與a相處于平衡狀態(tài)，則在兩個p顆粒之間的a相區(qū)出現(xiàn)B原子的濃度梯度。在此濃度梯度驅(qū)動力的作用下，小粒子周圍的B原子將向大顆粒擴散，這樣小顆粒與a相平衡將遭到破壞，使其溶解，大粒子粗化。10.對于一個二元合金體系A-B(下圖)，其混合自有能可表示為：G=Gideal+Ge,其中：Gideal=RT(XAXA+XBlnXB)如果Ge0,則會出現(xiàn)如下圖的情況：在某一溫度下，G的曲線出現(xiàn)

10、兩個峰值。試用熱力學原理說明，不論在何溫度下，當X趨近1時，總有G0在兩組?；旌蠒rAGidea總為負值，且TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document limd(AGideald(AGideal=gT1AXT1BAB而根據(jù)亨利定律：limd(AGe)/dX=C，C為常數(shù)。XT1由此可以判定：當X趨近1時，總有AG0。分析計算題：1.已知純鈦a/p平衡溫度為882OC,相變焓為14.65kJ/mol。估算p鈦過冷到800OC時，p-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Ti的相變驅(qū)動力(不計上述過冷溫度范圍對相變的焓變及熵變的影響)。(10分)解答：根據(jù)自

11、由能的表達式AG=AH-TASAH-T(AH/T)TT00在平衡溫度丁0AH=TASTT00對于固態(tài)相變，如果相變溫度不遠離心AHTAGUAH-T(AHTT0AT-AHAGuIq.tt0AGTU82K14.65kJ/m=1.04kJ/mol1155K2.從過飽和固溶體（a）中析出的第二相通常都是很小的粒子（P）,一般這些小粒子在表面張力的作用下會受到附加壓應力的作用，寫出附加壓應力與表面張力和球形粒子尺寸的關系。以二元溶體為例，用圖示的方法簡要分析附加壓應力對溶體相與析出相界面（a/p）平衡關系的影響。在析出的初期，這小粒子一般與基體保持共格關系，簡要分析其原因。（15分）解答：過飽和固溶體a

12、中析出第二相p。如果析出的第二相p為球體，p相球體彎曲表面上的表面張力將引起界面兩側存在不同壓力，其壓力差為由于附加壓力的作用，第二相摩爾自由能曲線上移。由于公切線位置的改變，P相在a相中的溶解度增加。在析出的初期，這小粒子一般與基體保持共格關系,其原因在于析出相和母相保持共格可以降低界面能。在25OC和O.IMPa下，金剛石和石墨的標準熵分別為2.4J/molK和5.7J/molK,標準焓分別為395kJ/mol和394kJ/mol,密度分別為3.5g/cm3和2.3g/cm3,碳的摩爾質(zhì)量為12g。試計算石墨在此條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧凃?qū)動力；試根據(jù)自由能與體積和溫度的關系QG二VdP-S

13、dT)計算室溫下實現(xiàn)石墨一金剛石轉(zhuǎn)變所需臨界壓力(不計壓力對石墨以及壓力對金剛石造成的體積改變)。(15分)解答：在25OC和O.IMPa下，石墨-金剛石轉(zhuǎn)變自由能變化AHg-d=395394=1kJ/molASg-d=2.45.7=3.3J/mol-KAG=AHg-d298ASg-d=1983J/mol在25OC和O.IMPa下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧凃?qū)動力為1983J/moldG=VdP-SdT在等溫條件下AG=fP2VdPP1AG=V(P-P)AG=V(P-P)TOC o 1-5 h zg-gg21d-dd21AP=AG/AVg-dmAG=AVAPAP=AG/AV=1983J/(12/2.3)(12/3.5)g-d=1983/(5.223.43)=1107.8J/cm3=1107.8N-m/(1m/100)3=1107.8x106Pa=1107.8MPa室溫下實現(xiàn)石墨金剛石轉(zhuǎn)變所需臨界壓力為11O7.8MPa。碳鋼淬火馬氏體在進行低溫回火時，并不析出該溫度下的穩(wěn)定碳化物Fe3C(e),而是首先析出一種碳含量更高的亞穩(wěn)碳化物Fe2.5C()，但是當回火較長時間時卻觀察不到s碳化物。根據(jù)下圖給出的各相自由能曲線分析其原因。(8分)解答：從圖中可以看出，給定成分的過飽和固溶體中析出碳化物的相變驅(qū)動力比析出相的驅(qū)動力要小些。但是決定那種碳化