T?ng quan v? nhi?t ??ng l?c h?c

Nh?ng thay ??i trong hi?u ?ng nhi?t th??ng ?i kèm v?i t?t c? các ph?n ?ng v?t ly, hóa(chǎn) h?c và trao ??i ch?t x?y ra trong t? nhiên. S? hi?u bi?t c?a con ng??i v? b?n ch?t c?a nhi?t ?? tr?i qua m?t hành trình khám phá gian kh? và lau dài.

Vào ??u th? k? 20, Planck, Poincare, Gibbs và các nhà khoa h?c khác ?? l?y các h? v? m? làm ??i t??ng nghiên c?u, d?a trên các ??nh lu?t th? nh?t và th? hai c?a nhi?t ??ng l?c h?c, ??ng th?i xác ??nh các hàm nh? entanpi, entropy, Helmholtz và Gibbs, cùng v?i v?t kính các ??c tính nh? P, V và T có th? ???c ?o tr?c ti?p. Sau khi suy lu?n quy n?p và suy di?n, m?t lo?t các c?ng th?c và k?t lu?n nhi?t ??ng l?c h?c ???c s? d?ng ?? gi?i quy?t n?ng l??ng, giai ?o?n và ph?n ?ng. ?ay là khung c? b?n c?a nhi?t ??ng l?c h?c c? ?i?n. ??i t??ng c?a nhi?t ??ng l?c h?c c? ?i?n là s? trao ??i v?t ch?t và n?ng l??ng trong m?t h? th?ng. Nó là m?t khoa h?c liên t?c ti?p c?n gi?i h?n, ch? th?o lu?n v? tr?ng thái can b?ng tr??c và sau khi thay ??i. Nó kh?ng liên quan ??n c?u trúc vi m? c?a các h?t bên trong v?t ch?t.

Boltzmann và c?ng s?. k?t h?p c? h?c l??ng t? v?i nhi?t ??ng l?c h?c c? ?i?n ?? t?o thành nhi?t ??ng l?c h?c th?ng kê. Nhi?t ??ng l?c h?c th?ng kê thu?c ph??ng pháp ti?p c?n t? vi m? ??n v? m?, b?t ??u t? các thu?c tính c?a các h?t vi m? và xác ??nh ch?c n?ng phan vùng c?a h? ho?c h?t b?ng cách tìm xác su?t th?ng kê, ???c s? d?ng nh? m?t c?u n?i ?? thi?t l?p m?i liên h? v?i các ??c tính v? m?.

Th?i gian là m?t bi?n s? ??c l?p có y ngh?a trong nhi?t ??ng l?c h?c, và cách x? ly v?i bi?n s? th?i gian là m?t d?u hi?u ?? phan bi?t các m?c ?? khác nhau c?a nhi?t ??ng l?c h?c. Trong v?t ly, s? gia t?ng entropi ???c s? d?ng ?? m? t? tính ch?t m?t chi?u c?a th?i gian. Nhi?t ??ng l?c h?c nghiên c?u các kh? n?ng, và ??ng h?c nghiên c?u các th?c t?, t?c là t?c ?? thay ??i và c? ch? c?a s? thay ??i. ??ng h?c là m?t hàm c?a ti?n trình ph?n ?ng so v?i th?i gian, trong ?ó tr?ng thái hành vi và ??u ra c?a h? th?ng ch? ph? thu?c vào tr?ng thái b?t ??u và các ??u vào ti?p theo.

Vì v?y, nhi?u hi?n t??ng x?y ra trong t? nhiên là các quá trình b?t thu?n ngh?ch trong tr?ng thái kh?ng can b?ng, ?i?u này thúc ??y nhi?t ??ng l?c h?c t? tr?ng thái can b?ng sang tr?ng thái kh?ng can b?ng. Vào nh?ng n?m 1950, Prigogine I, Onsager L và nh?ng ng??i khác ?? thành l?p Nhi?t ??ng l?c h?c kh?ng can b?ng (NET), và gi? ??nh can b?ng c?c b? là gi? ??nh trung tam kh?ng can b?ng c?a nhi?t ??ng l?c h?c. Trong s? ?ó, Onsager L ?? thi?t l?p quan h? can b?ng ngh?ch ??o c?a h? s? ch? hình ?nh vào n?m 1931, và Prigogine ?? xu?t nguyên ly t?ng entropy t?i thi?u cho các tr?ng thái c? ??nh kh?ng can b?ng vào n?m 1945, áp d?ng cho các h? th?ng can b?ng tuy?n tính g?n v?i tr?ng thái can b?ng. ??i v?i các h? th?ng ? xa tr?ng thái can b?ng, tr??ng phái Brussels do Progogine ??ng ??u ?? thi?t l?p ly thuy?t c?u trúc tiêu tán n?i ti?ng sau nhi?u n?m n? l?c, ly thuy?t này sau ?ó ???c xác nh?n b?i m?t s? hi?n t??ng t? t? ch?c nh? ???ng may và thí nghi?m ??i l?u Benard (xem Hình 1). Ly thuy?t c?u trúc tiêu tán ch? ra r?ng các h? th?ng m? ? xa tr?ng thái can b?ng có th? hình thành các tr?ng thái có tr?t t?, m? ra cánh c?a c?a khoa h?c v?t ly cho khoa h?c s? s?ng.
Hi?n nay, nhi?t ??ng l?c h?c kh?ng còn ch? là khoa h?c nghiên c?u các quy lu?t c? b?n c?a các hi?n t??ng nhi?t, nó liên quan ch?t ch? ??n ly thuy?t h? th?ng, khoa h?c phi tuy?n, khoa h?c s? s?ng và ngu?n g?c c?a v? tr?, và các ?ng d?ng c?a nó liên quan ??n v?t ly, hóa(chǎn) h?c, sinh h?c, k? thu?t và c?ng ngh?, c?ng nh? v? tr? h?c và các ngành x? h?i [1].

S? hình thành và phát tri?n c?a nhi?t ??ng l?c h?c v?t li?u

S? ti?n b? và phát tri?n c?a khoa h?c v?t li?u hi?n ??i ?? ???c h? tr? và giúp ?? b?i nhi?t ??ng l?c h?c, là ?ng d?ng c?a nhi?t ??ng l?c h?c c? ?i?n và ly thuy?t nhi?t ??ng l?c h?c th?ng kê trong l?nh v?c khoa h?c v?t li?u, và s? hình thành và phát tri?n c?a nó là m?t trong nh?ng d?u hi?u cho th?y s? tr??ng thành c?a khoa h?c v?t li?u.

T? s? xu?t hi?n c?a ??nh lu?t pha Gibbs vào n?m 1876, H. Roozeboom áp d?ng ??nh lu?t pha cho các h? th?ng ?a thành ph?n vào n?m 1899, Roberts-Austen ?? xay d?ng d?ng s? ?? pha Fe-Fe3C ban ??u vào n?m 1900, h? tr? ly thuy?t cho vi?c nghiên c?u v?t li?u thép; sau ?ó vào ??u th? k? 20, G. Tamman và nh?ng ng??i khác ?? thi?t l?p m?t s? l??ng l?n các gi?n ?? pha h? kim lo?i th?ng qua các thí nghi?m ??u nh?ng n?m 1950, R. Kikuchi ?? xu?t m?t ly thuy?t th?ng kê hi?n ??i v? m? t? entropi, t?o ?i?u ki?n cho s? k?t h?p c?a ly thuy?t nhi?t ??ng l?c h?c. và các nguyên t?c ??u tiên; vào ??u nh?ng n?m 1960, M. Hillert và nh?ng ng??i khác ?? nghiên c?u nhi?t ??ng l?c h?c c?a các h? kh?ng can b?ng, d?n ??n s? xu?t hi?n c?a l?nh v?c phan h?y kh?ng ?n ??nh và làm phong phú thêm s? hi?u bi?t v? s? hình thành c?a các m? v?t ch?t; trong nh?ng n?m 1970, L. Kaufman, M. Hillert và nh?ng ng??i khác ?? gi?i thi?u s? ?? giai ?o?n ??u tiên c?a v?t li?u thép. . Kaufman, M. Hillert và nh?ng ng??i khác ch? tr??ng tính toán nhi?t ??ng h?c gi?n ?? pha (CALPHAD), ?? d?n ??a nghiên c?u v?t li?u vào k? nguyên thi?t k? v?t li?u theo nhu c?u th?c ti?n [2].

Vào tháng 6 n?m 2011, Hoa K? ?? c?ng b? Quan h? ??i tác S?n xu?t Tiên ti?n tr? giá $500 tri?u, m?t trong nh?ng y?u t? c?t l?i là Sáng ki?n B? gen V?t li?u (MGI). “MGI nh?m m?c ?ích cung c?p b? c?ng c? c?n thi?t ?? phát tri?n các v?t li?u m?i, gi?m s? ph? thu?c vào các thí nghi?m v?t ly th?ng qua phan tích tính toán m?nh m? và ??y nhanh ?áng k? s? ?a d?ng và t?c ?? c?a các v?t li?u m?i ???c ??a ra th? tr??ng nh? nh?ng ti?n b? trong th? nghi?m và m? t? ??c tính, gi?m s? phát tri?n chu k? t? 10 - 20 n?m hi?n t?i ??n 2 - 3 n?m.

Nhi?t ??ng l?c h?c v?t li?u nghiên c?u s? nóng ch?y và ??ng ??c c?a v?t li?u r?n, quá trình chuy?n pha ? tr?ng thái r?n, các m?i quan h? và thành ph?n can b?ng pha, ?? ?n ??nh c?a c?u trúc vi m?, h??ng và ??ng l?c c?a quá trình chuy?n pha. ?? m? t? n?ng l??ng t? do, entanpi, entropi, v.v. c?a các lo?i pha khác nhau, các m? hình nhi?t ??ng l?c h?c th?ng kê ho?c ch? hình ?nh khác nhau ?? ???c ?? xu?t, ch?ng h?n nh? m? hình ch?t tan ly t??ng, m? hình ch?t tan th?ng th??ng, m? hình ch?t tan d??i d?ng m? hình bán hóa(chǎn) h?c, m? hình t?ng nguyên t?, m? hình nguyên t? trung tam, m? hình ch?m ph? kép, m? hình nhóm bi?n thiên (CVM), x?p x? Bragg-Williams, x?p x? Bethe, x?p x? Ising, x?p x? Miedema, v.v. S? khu?ch tán là n?i dung chính c?a nghiên c?u ??ng h?c, bao g?m s? hình thành và l?n lên c?a h?t nhan trong quá trình ??ng ??c, c?ng nh? ??ng nh?t, phan b? và phan b? l?i các nguyên t? ch?t tan trong h?p kim trong quá trình x? ly nhi?t, có th? ???c suy ra t? ??nh lu?t th? nh?t và th? hai c?a Fick.

Tính toán nhi?t ??ng l?c h?c bao g?m m?t lo?t các c?ng c? thi?t y?u ?? phan tích và hi?u các v?n ?? khoa h?c v?t li?u: bi?u ?? Gm-x, bi?u ?? pha, ???ng cong TTT, ???ng cong CCT, v.v ... Trong ?ó, ?ng d?ng c?t l?i thành c?ng nh?t là tính toán gi?n ?? pha. Bi?u ?? pha có th? ???c chia thành ba lo?i d?a trên các ph??ng pháp ???c s? d?ng ?? thu ???c chúng.

1, bi?u ?? pha th?c nghi?m: s? d?ng các ph??ng ti?n th?c nghi?m (DSC, DTA, TG, nhi?u x? tia X, phan tích thành ph?n vi vùng ??u dò ?i?n t?, v.v.), ch? y?u cho các h? th?ng b?c ba và b?c ba.

2, bi?u ?? giai ?o?n ly thuy?t, còn ???c g?i là s? ?? giai ?o?n tính toán nguyên t?c ??u tiên, kh?ng yêu c?u b?t k? tham s? nào, vi?c s? d?ng ph??ng pháp Ab kh?i ??u ?? ??t ???c m?t s? ?? giai ?o?n tính toán, ly thuy?t, ch? có m?t s? l??ng nh? báo cáo trong thi?t k? nh? phan riêng l? và v?t li?u h? th?ng b?c ba.

3, bi?u ?? giai ?o?n tính toán, c?t l?i c?a nó là s? k?t h?p máy tính c?a m? hình ly thuy?t và c? s? d? li?u nhi?t ??ng l?c h?c. H?u h?t các ph?n m?m n?i ti?ng qu?c t? áp d?ng ch? ?? CALPHAD, bao g?m Thermo-Calc, Pandat, FactSage, Mtdata, JMatPro, v.v. Hình 3, d?a trên ??c ?i?m c?a t?ng pha trong h? th?ng, tích h?p các ??c tính nhi?t ??ng l?c h?c, d? li?u can b?ng pha, c?u trúc tinh th? và các th?ng tin khác trong m?t, thi?t l?p các m? hình nhi?t ??ng l?c h?c và bi?u th?c n?ng l??ng t? do, sau ?ó tính toán bi?u ?? pha d?a trên ?i?u ki?n nhi?t ??ng l?c h?c c?a can b?ng ?a pha ?a bi?n, và cu?i cùng thu ???c gi?n ?? pha t? nh?t quán v? m?t nhi?t ??ng l?c h?c c?a h? th?ng và các th?ng s? t?i ?u hóa(chǎn) m? t? các ??c tính nhi?t ??ng l?c h?c c?a t?ng pha.

Ví d?, Cui-Ping Wang, Xing-Jun Liu, Ikuo Onuma et al. ?? ?ánh giá các th?ng s? nhi?t ??ng c?a t?ng pha c?a h? b?c ba Cu-Ni-Sn b?ng ph??ng pháp CALPHAD. Các k?t qu? tính toán c?a h? phù h?p t?t v?i các giá tr? th?c nghi?m, nh? ???c th? hi?n trong Hình 4. H? c?ng tính toán s? chuy?n ??i có tr?t t? có tr?t t? c?a pha bcc và kho?ng cách hòa tan c?a pha fcc trong h? th?ng b?c ba này, ?i?u này r?t quan tr?ng ??i v?i s? phát tri?n c?a cao -các h? th?ng Cu-Sn m?i có ?? b?n và ?? d?n cao s? d?ng t?ng c??ng k?t t?a và phan h?y Spinodal. Và ?? d?n ?i?n cao c?a các h?p kim m?i d?a trên Cu b?ng cách s? d?ng phan h?y Spinodal [3].
Các tính toán ??ng h?c d?a trên các tính toán nhi?t ??ng l?c h?c, gi?i thi?u m? hình ??ng h?c khu?ch tán v?i th?i gian d??i d?ng m?t bi?n s? và c? s? d? li?u ?? linh ??ng c?a nguyên t?, ??ng th?i thu ???c m?i quan h? gi?a tr?ng thái nhi?t ??ng l?c h?c c?a v?t li?u v?i th?i gian th?ng qua m?t s? l??ng l?n các phép toán l?p l?i.

?ng d?ng trong các l?nh v?c nhi?t ??ng l?c h?c v?t li?u khác nhau

Trong b?t k? h? th?ng nào, các khía c?nh nhi?t ??ng l?c h?c, ??ng h?c và c?u trúc v?t ch?t có liên quan ch?t ch? v?i nhau. C?u trúc vi m? và các ??c tính nhi?t ??ng h?c c?a v?t li?u kim lo?i ?nh h??ng ??n s? phát tri?n c?a các pha và c?u trúc vi m? ???c t?o ra trong quá trình ??ng ??c và x? ly nhi?t. Ví d?, ??i v?i h?p kim c?a h? Al-Cu, các nguyên t? ch?t tan quá b?o hòa và k?t t?a trong dung d?ch r?n, gay ra s? bi?n d?ng ??i x?ng m?t c?u; trong quá trình c?ng tu?i, Vùng GP ???c hình thành ??u tiên, ti?p theo là s? t?p h?p và s?p x?p th? t? c?a các nguyên t? ch?t tan trên m?t ph?ng tinh th? ch? s? th?p, cu?i cùng t?o ra pha can b?ng theta (Al2Cu) kh?ng ??ng h?t. Khi kích th??c c?a pha ???c t?o ra trong quá trình ??ng ??c ho?c ??ng nh?t l?n h?n 0,5 μm, s? c?m l?ch v? trí x?y ra ? b? m?t phan cách khi ???c t?i và tr? thành ngu?n phát sinh v?t n?t; khi kích th??c t? 0,005 ??n 0,05 μm và có s? phan b? khu?ch tán t?t, nó có th? c?n tr? quá trình k?t tinh l?i và s? phát tri?n c?a h?t. T?t nhiên, ly thuy?t nhi?t và ??ng h?c ngày nay ?? tham nh?p vào t?t c? các l?nh v?c v?t li?u và tr? thành m?t h??ng d?n ly thuy?t hi?u qu? và c?ng c? phan tích c?n thi?t.

(1) Ngành thép truy?n th?ng

Vi?n nghiên c?u t?ng h?p v? gang thép, là c? quan nghiên c?u và phát tri?n v?t li?u thép chuyên nghi?p l?n nh?t ? Trung Qu?c, là m?t trong nh?ng c? s? ??u tiên gi?i thi?u các ph??ng pháp và ph?n m?m tính toán nhi?t ??ng l?c h?c và ?? ??t ???c k?t qu? nghiên c?u hi?u qu? trong thi?t k? thép kh?ng g? ti?t ki?m niken, Vi?t Nam c?ng ngh?, và thép nhi?t ?? th?p 9 Ni cho LNG [4].

(2) V?t li?u t?ng h?p ma tr?n kim lo?i

Fan Tongxiang, Li Jianguo, Sun Zuqing, và nh?ng ng??i khác ?? th?c hi?n r?t nhi?u nghiên c?u v? vi?c ki?m soát ph?n ?ng gi?a giai ?o?n gia c? và giao di?n ma tr?n, vi?c l?a ch?n lo?i giai ?o?n gia c? t? ??ng ph?n ?ng, thi?t k? c?a h? th?ng h?n h?p và quá trình chu?n b? s? d?ng m? hình nhi?t ??ng l?c h?c và ??ng h?c [5]. Và m?t ví d? v? ?ng d?ng là các tính toán nhi?t ??ng l?c h?c c?a v?t li?u giúp r?t nhi?u trong vi?c phát tri?n Sinter HIP quy trình s?n xu?t cacbua vonfram.

(3) V?t li?u nano

N?m 2000, Chamberlin thu?c ??i h?c Bang Arizona, Hoa K?, ?? s? d?ng thu?t ng? Nhi?t ??ng l?c h?c trong nghiên c?u v? hành vi t?i h?n c?a s?t t?, Giebultowica, Hill et al. Vi?n Hóa(chǎn) h?c ??i Liên ?? ch?ng minh vai trò to l?n c?a ??ng l?c h?c nano trong vi?c x? ly s? phát tri?n và các ??c tính hóa(chǎn) ly c?a h? nano, Vi?n Hóa(chǎn) h?c ??i Liên Nhóm c?a Zhicheng Tan t?i Vi?n V?t ly thu?c Vi?n Khoa h?c Trung Qu?c c?ng ?? th?c hi?n r?t nhi?u nghiên c?u v? nhi?t ?? th?p n?ng l?c c?a v?t li?u nano [6].

(4) H?p kim b? nh? hình d?ng

Lidija GOMIDZELOVIC và c?ng s?. ?? s? d?ng m? hình Muggianu và k?t h?p nó v?i các thí nghi?m ?? tính toán gi?n ?? pha c?a h?p kim nh? hình d?ng Cu-Al-Zn ? 293 K b?ng ph?n m?m Thermo-Calc và ?? khám phá các ??c tính c?a m? [7].

Ngoài ra, còn có các ?ng d?ng liên quan ??n m? ph?ng máy tính nhi?t ??ng l?c h?c trong các v?t li?u l?u tr? hydro d?a trên Mg, các giao di?n graphene, và các ??c tính h?p ph? c?a chúng.

Xu h??ng nhi?t ??ng l?c h?c v?t li?u

H?u nh? kh?ng có c?u trúc v?t li?u th?c t? nào là ?n ??nh v? m?t nhi?t ??ng l?c h?c, và s? khu?ch tán, thay ??i pha, t?o ra tr?t t? và chuy?n ??ng, c?ng nh? s? bi?n d?ng và ??t g?y c?a v?t li?u, liên quan ??n các tr?ng thái kh?ng can b?ng khác nhau, ?òi h?i ph?i k?t h?p m? hình CALPHAD v?i các ly thuy?t khác trong các ?ng d?ng th?c t? ?? làm cho nó th?c t? h?n. m? ph?ng tình hu?ng th?c t?, ch?ng h?n nh?: v?i Nguyên t?c th? nh?t, ly thuy?t hàm m?t ?? M?t ?? (DFT) và Ph??ng pháp tr??ng ?a pha (MFM); k?t h?p v?i các m? hình luy?n kim v?t ly ?? d? ?oán ?? c?ng, ?? b?n, ?? gi?n dài, v.v ...; gi?i thi?u các m? hình t?o m?m, t?ng tr??ng và th? c?a t? bào và các pha k?t t?a ?? tính toán CCT, ???ng cong chuy?n pha TTT, kích th??c h?t, hình thái h?c, v.v. .

Trong t??ng lai, các m? ph?ng tính toán tích h?p ?a quy m?, bao g?m nhi?t ??ng l?c h?c và ??ng h?c cùng v?i c? s? d? li?u chuyên d?ng ?? th?c hi?n giai ?o?n thi?t k? v?t li?u, m? ph?ng toàn b? quá trình s?n xu?t và chu?n b? v?t li?u và d?ch v? ?? d? ?oán s? ti?n hóa(chǎn) m? và các ??c tính v? m? c?a v?t li?u, và ?i?u ch?nh chính xác các ??c tính c?a m? trong quá trình chu?n b?, là xu h??ng chính trong s? phát tri?n c?a v?t li?u nhi?t và ??ng h?c [8,9].

Ng??i gi?i thi?u

[1] Xu Zuyao, Nhi?t ??ng l?c h?c c?a v?t li?u, Nhà xu?t b?n giáo d?c ??i h?c, 2009

[2] Dai Zhanhai, Lu Jintang, Kong Gang. Ti?n ?? nghiên c?u tính toán gi?n ?? pha [J]. T?p chí Nghiên c?u V?t li?u, 2006, 4 (20): 94-97

[3] Cui-Ping Wang, Xing-Jun Liu, Yun-Qing Ma, Ikuo Onuma, Ryo-Suke Kainuma, Kiyohito Ishida. Nhi?t ??ng h?c tính toán can b?ng pha c?a h? b?c ba Cu-Ni-Sn [J]. T?p chí Kim lo?i màu Trung Qu?c, 2005 (11): 202-207.

[4] Dong Enlong, Zhu Yingguang, Pan Tao. S? phát tri?n c?a t?m thép ch?u nhi?t ?? th?p 9Ni cho LNG [C], K? y?u c?a H?i ngh? th??ng niên v? thép h?p kim th?p qu?c gia. Beidaihe: Chi nhánh thép h?p kim th?p c?a Hi?p h?i kim lo?i Trung Qu?c, 2008: 741-749

[5] Fan Tongxiang, Zhang Congfa, Zhang Di. Nh?ng ti?n b? trong nhi?t ??ng l?c h?c và ??ng h?c c?a v?t li?u t?ng h?p ma tr?n kim lo?i [J]. Ti?n b? V?t li?u Trung Qu?c, 2010, 29 (04): 23-27

[6] JYANG Jun-Ying, HUANG Zai-Yin, MI Yan, LI Yan-Fen, YUAN Ai-Qun. Hi?n tr?ng và tri?n v?ng nhi?t ??ng h?c c?a v?t li?u nano [J]. Nh?ng ti?n b? trong Hóa(chǎn) h?c, 2010,22 (06): 1058-1067.

[7] Lidija GOMIDZELOVIC, Emina POZEGA, Ana KOSTOV, Nikola VUKOVIC, Nhi?t ??ng l?c h?c và ??c ?i?m c?a b? nh? hình d?ng H?p kim Cu-Al-Zn [J]. Giao d?ch c?a Hi?p h?i kim lo?i màu Trung Qu?c, 2015, 25 (08): 2630-2636

[8] Liux J, Takaku Y, Ohnuma I, et al. Thi?t k? v?t hàn kh?ng ch?a Pb trong bao bì ?i?n t? b?ng nhi?t ??ng h?c và ??ng h?c tính toán [J]. T?p chí V?t li?u và Luy?n kim, 2005, 4 (2): 122-125

[9] Chen Q, Jeppsson J, Agren J. X? ly phan tích s? khu?ch tán trong quá trình phát tri?n k?t t?a trong các h? th?ng ?a thành ph?n [J]. Acta Materialia, 2008, 56: 1890-1896