冶熱:二元相圖binary phase diagram - 人生紀錄本 - udn部落格
人生紀錄本
作家:宋坤祐
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    冶熱:二元相圖binary phase diagram
    2022/07/19 13:29:21
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    Ch. 10 binary phase diagram(先複習材導相圖)

    相圖與G(Xᵢ) curve的關係

    Binary phase diagram(A+B), P=1 atm

    熱力學去找X₍ₗ₎(T)=? , X₍ₛ₎(T)=?決定liquidus/solidus lines.

    Gibbs free energy curves, G(X)

    G=XG+XG, G=RTlnaᵢ ⸫∆G=XRTlna+XRTlna i.e. aᵢ=γᵢXᵢ

    → ∆G=∆Gᴹ,id+Gxs, Gᴹ,id=XRTlnX+XRTlnX, Gxs=XRTlnγ+XRTlnγ=ΩXX=RXX

    §regular solution: G(X) curve?

    先天條件: 1. ∆Sᵢ=∆Sid =-RlnXᵢ, 2. ∆Hᵢ=f(Xᵢ) only! Indep. of T. ∆Hxs=Hᵢ=RTlnγ

    (1)γᵢ<1, span="" style="font-family:times new roman , serif" data-mce-style="font-family: times new roman , serif;">⸫Ω<0 and α<0 2="" span="">γᵢ>1, ⸫Ω>0 and α>0

    → ∆G/RT=∆Gᴹ,id/RT+αXX, α>0且持續增加時, G/RT曲線即從向上凹變成中間凸向上的曲線

    G=∆Gᴹ,id+ΩXX, Ω>0: m, q公切線, (solution m+solution q)共存

    G=Gq RTlna=RTlnaqa=aq ; G=Gq RTlna=RTlnaqa=aq

    mnopq曲線只是數學,沒有物理意義;實際上的G曲線是Am+mq公切線+qB的連線, Amα phase, mqα₁+α共存, qBα phase.

    §phase stability in regular solution

    R=Ω(Ω>0 and α>0), when T fixed, α<αᵣ(when T=Tᵣ) single homo. Phase; or α>αᵣ phase seperation. 所以當溫度下降, α變大時, G曲線可用regular solution模擬, α solution simulation by regular solution

    α=αᵣ, ∆G=XRTlnX+XRTlnX+ΩXX=RT[XlnX+(1-X)ln(1-X)]+ΩX(1-X),

    G∕∂X=0 → RT[lnX+1-ln(1-X)-1]+Ω(1-2X)=0,

    ²G∕∂X²=0 → RT[1/X+1/(1-X)]-2Ω=0, ⸫RT[1/X+1/(1-X)]= 2Ω=2Rα=αᵣ=2

    ³G∕∂X³=0 → RT[-1/X²+1/(1-X]=0 ⸫1/X²-1/X²=0 → X=X=0.5

    Ω=RTα, ⸫Ω=RTᵣ∙2Tᵣ=Ω/2R

    given Ω(fixed): T>Tα<2 homogeneous="" solution="" span="">T<Tα>2 phase seperation.

    G=RT(XlnX+XlnX)+RXX=(1)+(2), (1)=RT(XlnX+XlnX), (2)=RXX

    ⸪(1)與溫度無關, (2)與溫度呈負相關: T造成(1)(<0); font="">T造成(1)(<0) span="" style="font-family:times new roman , serif" data-mce-style="font-family: times new roman , serif;">⸫T<Tphase seperation.

    Spinodal point at T的數學特色: G∕∂X=0, ∂²G∕∂X²=0, ∂³G∕∂X³=0 →αᵣ=2 , Rtα=Ω ⸫Tᵣ=Ω/2R. Fig. 10.6 Ω=16630J/mole, Tᵣ=1000K

    a(X) curve, f point反曲點, at T 其特性: ∂a∕∂X=0, and ∂²a∕∂X²=0

    pf: given ∆Geq., ∆G=RTlna=G+(1-X)(∂∆G∕∂X) →X做微分

    ∂∆G∕∂X=RT/a(a∕∂X)=(∂∆G∕∂X)-(∂∆G∕∂X)+(1-X)(∂²∆G∕∂X²)=(1-X)(∂²∆G∕∂X²)

    RT/a(a∕∂X)=(1-X)(∂²∆G∕∂X²)=0, ⸪∂²∆G∕∂X²=0 → ∂a∕∂X=0

    ∂∆G∕∂XX做微分

    ²∆G∕∂X²=-RT/a²(∂a∕∂X)²+RT/a(∂²a∕∂X² )=-(∂²∆G∕∂X²)+(1-X)(∂³∆G∕∂X³)

    ⸪∂a∕∂X=0, ∂²∆G∕∂X²=0, ∂³∆G∕∂X³=0 → ∂²a∕∂X²=0

    when Tᵣ, b, dGcurve上的反曲點, a(X) curve上為極值bd, 其特性: ∂a∕∂X=0, ∂²∆G∕∂X²=0

    §10-5 isomorphous phase diagram

    l+s兩相共存的自由能放在一起討論,需要有一參考狀態來比較:

    G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX), ∆G₍ₗ₎=RT(XlnX+XlnX)

    standard state: 為方便起見,在該溫度T之下,純元素i的平衡狀態定為standard state, Gᵢ⁰=0

    Tₘ,ᴀ<T<Tₘ,ᴃ ⸫pure A的平衡狀態定為A₍ₗ₎ → Gᴀ₍ₗ₎⁰=0, Gᴀ₍ₛ₎⁰>0

    pure B的平衡狀態定為B₍ₛ₎ → Gᴃ₍ₛ₎⁰=0, Gᴃ₍ₗ₎⁰>0

    consider sl melting, ∆Gₘ₍ᴀ₎= Gᴀ₍ₗ₎⁰- Gᴀ₍ₛ₎⁰ given: T,ᴀ, ∆Hₘ⁰₍ᴀ₎, cₚᴀ₍ₛ₎, cₚᴀ₍ₗ₎

    Tₘ,ᴀ<T Gₘ₍ᴀ₎(T)=∆Hₘ₍ᴀ₎(T)-T∆Sₘ₍ᴀ₎(T)=?

    Hₘ₍ᴀ₎(T)=∆Hₘ⁰₍ᴀ₎+∫ᴛₘcₚᴀdT , ∆cₚ=cₚᴀ₍ₗ₎-cₚᴀ₍ₛ₎=0(Assume)

    Sₘ₍ᴀ₎(T)=∆Sₘ⁰₍ᴀ₎+∫ᴛₘ(∆cₚᴀ/T)dT , i.e. ∆Sₘ⁰₍ᴀ₎=∆Hₘ⁰₍ᴀ₎/T,

    ⸫∆Gₘ₍ᴀ₎(T)≈∆Hₘ⁰₍ᴀ₎-T(∆Hₘ⁰₍ᴀ₎/T,ᴀ)=∆Hₘ⁰₍ᴀ₎[(T,ᴀ-T)/T,ᴀ],

    同理pure B: T<Tₘ,ᴃ ∆Gₘ₍ᴃ₎(T)=∆Hₘ⁰₍ᴃ₎[(T,ᴃ-T)/T,ᴃ]

    參考座標: Gᴀ₍ₗ₎⁰=0, Gᴃ₍ₛ₎⁰=0

    G₍ₗ₎=RT(XlnX+XlnX)+XGₘ₍ᴃ₎...(1), ∆G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)+X(-∆Gₘ₍ᴀ₎)...(2)

    l+s共存: G₍ₛ₎=G₍ₗ₎...(3), G₍ₛ₎=G₍ₗ₎...(4) and G=RTlna=G+(1-Xᵢ)(∂∆G∕∂Xᵢ)

    G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)-XGₘ₍ᴀ₎+(1-X)[RT(lnX-lnX)-∆Gₘ₍ᴀ₎]=RTlnX₍ₛ₎-∆Gₘ₍ᴀ₎

    G₍ₗ₎=....=RTlnX₍ₗ₎ 根據(3), RTlnX₍ₛ₎-∆Gₘ₍ᴀ₎=RTlnX₍ₗ₎X₍ₗ₎/X₍ₛ₎=exp(-∆Gₘ₍ᴀ₎/RT)...(5)

    G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)-XGₘ₍ᴀ₎+(1-X)[RT(-lnX+lnX)+∆Gₘ₍ᴀ₎]=RTlnX₍ₛ₎

    G₍ₗ₎=....=RTlnX₍ₗ₎+∆Gₘ₍ᴃ₎ ⸫根據(4), RTlnX₍ₗ₎+∆Gₘ₍ᴃ₎=RTlnX₍ₛ₎X₍ₗ₎/X₍ₛ₎=exp(-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT)...(6) or 1-X₍ₗ₎=(1-X₍ₛ₎)exp(-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT) (5)代入

    1-X₍ₛ₎∙e-∆Gₘ₍ᴀ₎/RT =(1-X₍ₛ₎)∙e-∆Gₘ₍ᴃ₎/RTX₍ₛ₎=(1-e-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT)/(e-∆Gₘ₍ᴀ₎/RT-e-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT)

    and X₍ₗ₎=e-∆Gₘ₍ᴀ₎/RT∙(1-e-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT)/(e-∆Gₘ₍ᴀ₎/RT-e-∆Gₘ₍ᴃ₎/RT)

    Positions of points of double tangency are not influenced by choice of standard states; they are determined only by T, Gₘ₍ᴀ₎, Gₘ₍ᴃ₎.

    照常理,擴散由濃度高往低運動,反應發生也是自由能從高變低的過程,活性自然也是由大變小,同物質的活性到處相等才達到平衡!

    aᵢ value depends on standard state.

    T<Tₘ,ᴃ def: Gᴃ₍ₛ₎⁰=0, Gᴃ₍ₗ₎⁰>0 and ∆G=RTlna=G-G

    G=G₍ₛ₎⁰+RTlnaᴃ, w.r.t.B₍ₛ₎ or G=G₍ₗ₎⁰+RTlnaᴃ, w.r.t.B₍ₗ₎ i.e. G indep. of choice

    G₍ₛ₎⁰+RTlnaᴃ, w.r.t.B₍ₛ₎=G₍ₗ₎⁰+RTlnaᴃ, w.r.t.B₍ₗ₎ → G₍ₗ₎⁰-G₍ₛ₎⁰=RTln[aᴃ, w.r.t.B₍ₛ₎/aᴃ, w.r.t.B₍ₗ₎]=∆Gₘ₍ᴃ₎⁰

    T<Tₘ,ᴃ ⸫∆Gₘ₍ᴃ₎⁰>0 → [aᴃ, w.r.t.B₍ₛ₎/aᴃ, w.r.t.B₍ₗ₎]>1 → a₍ₛ₎>a₍ₗ₎

    比值 a₍ₛ₎/a₍ₗ₎=eGₘ₍ᴃ₎⁰/RT Gₘ₍ᴃ₎(T)=∆Hₘ⁰₍ᴃ₎[(T,ᴃ-T)/T,ᴃ] Assume cₚᴀ₍ₗ₎=cₚᴀ₍ₛ₎

    §10-7 modified isomorphous phase diagram

    參考坐標調整與T有關

    共晶、偏晶用solution model理論去理解

    為簡化方便,假設A, B兩個固相不互溶,所以固相自由能固定於X=1, 液相自由能設為ideal solution; T<T,ᴀ, pure A+liquid solution共存

    pure A: G₍ₛ₎⁰, Liquid: ∆G=∫dG=∫RTdlna ⸫∆G=G₍ₗ₎-G₍ₗ₎⁰= RTlna₍ₗ₎→G₍ₗ₎=G₍ₗ₎⁰+RTlna₍ₗ₎

    pure A+liquid solution共存, G₍ₛ₎⁰=G₍ₗ₎=G₍ₗ₎⁰+RTlna₍ₗ₎ → -(G₍ₗ₎⁰-G₍ₛ₎⁰)=-∆G,ᴀ=RTlna₍ₗ₎

    a₍ₗ₎=e-∆Gₘ,ᴀ/RT 因為Ideal solution, a₍ₗ₎=X₍ₗ₎ ⸫X₍ₗ₎=e-∆Gₘ,ᴀ/RT

    若給T,ᴀ, ∆H,ᴀ⁰, cₚᴀ₍ₛ₎, cₚᴀ₍ₗ₎ 就可算出G,ᴀ(T), X₍ₗ₎(T)即得!

    偏晶的solution model: A-liquidus lineregular solution去模擬, given: T,ᴀ=2000K, ∆H,ᴀ⁰=10KJ, Ω=30KJ

    -∆G,ᴀ=RTlnX₍ₗ₎+Ω(1-X₍ₗ₎)²=-10000+5T → X₍ₗ₎(T) ⸪∆Gₘ₍ᴀ₎(T)=∆Hₘ⁰₍ᴀ₎[(T,ᴀ-T)/T,ᴀ]

    liquid solution也用regular mode: ∆G₍ₗ₎=RT(XlnX+XlnX)+ΩXX, Ω=30KJ

    液相分解溫度Tᵣ=Ω/2R=1804K, T=T偏晶

    A-liquidus solution mode: RTlnX₍ₗ₎+Ω(1-X₍ₗ₎)²=-10000+5T

    liquid solution mode: ∆G₍ₗ₎=RT(XlnX+XlnX)+ΩXX+X(-∆G,ᴀ) T偏晶=? Xᴀ(偏晶)=?

    Ex. Cs-Rb phase diagram, liquidsolution: ideal, solid solution: regular and Ω₍ₛ₎=2; given: ∆Gₘ₍Cs₎=2100-6.95T, ∆Gₘ₍Rb₎=2200-7.05T

    G₍ₗ₎=RT(XlnX+XlnX), ∆G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)+ΩXX參考坐標調整

    G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)+XGₘ₍Cs₎+XGₘ₍Rb₎, ∆G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)+ΩXX

    at Tₘᵢₙ=9.7℃, XRb=0.47 → ∆G₍ₗ₎=∆G₍ₛ₎→ X(2100-6.95T)+ X(2200-7.05T)=ΩXXΩ₍ₛ₎=668J

    → ∆G₍ₛ₎=RT(XlnX+XlnX)+668XX 檢驗: 20X, X ? Solution model 結果得0.1, 0.13, 0.75,0.80與實驗0.1, 0.13, 0.77, 0.80比較,結果接近!

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