1.相变的总驱动力
如图9.6所示,成分为x的系统,转变前为α相,其自由能为p点值Gp。当该系统转变为α相和β相的混合物并达到平衡后,α相的成分为xα、β相的成分为xβ。平衡时,系统的自由能为m点值Gm,故相变的总驱动力为ΔG=Gm-Gp。
2.相变的初始驱动力
然而在相变刚开始时,α相的成分并未达到平衡态。此时的成分在x附近做微小波动,因而其驱动力与总驱动力不同。设在α相中有少量成分为xβ的β相析出,则1 mol系统中,B组元的量增加xβ,A组元的量减少(1-xβ)。从图9.6可见,β相自由能低,故析出β相可使体系自由能降低。由ΔGα=可知,则系统因析出β相而降低的自由能为
此降低自由能用cd段表示。而对β相来说,要从无到有并长大,有一定难度,因体系自由能从0开始增大,增大值为
此增加的自由能用db段表示。综上两种情况,系统的初始驱动力为ΔGβ-ΔGα=db-cd=cb。cb段为初始驱动力,箭头指向自由能降低方向。(www.daowen.com)
3.G-x图中的驱动力应用
如图9.7所示,在一定温度下,当α、β相为平衡相时,只要成分波动使ΔG(或Δμ)<0,就能形成新相。若α相形成γ相的驱动力大于形成稳定的β相,即ΔGα→γ>ΔGα→β,则可出现亚稳γ相和成分为x0的α相达成亚稳平衡。在图9.8中,按照平衡图,应由两个稳定相α、β达成平衡。若成分为x0的γ相在α、β相转变前就已存在,则γ相转变为β相,因自由能是升高的(如图9.8中箭头所示)。故稳定的β相不能形成,即使产生也将溶于γ相。直到驱动力较大的α相形成后,稳定的β相才可形成。
图9.7 具有很高饱和度时形成亚稳相的驱动力(引自徐祖耀,2005)
图9.8 先存在亚稳γ相时,在α相未形成前,稳定的β相不能形成(引自徐祖耀,2005)
综上所述,相变的驱动力为相变前后的化学势差Δμ(或ΔG)。在封闭系统中,相变可自发地从处于高化学势的相向低化学势的相转变,直到两相的化学势相等而达到平衡。然而,系统要发生相变,除了存在Δμ(或ΔG)外,往往还需要外界条件的参与。这些外界条件对驱动力的产生有一定影响。常见的外界条件有温度、压力或浓度。
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