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wangwei51669

新虫 (著名写手)

[求助] 无定形态稳定性

为什么说无定形态稳定性不如晶体,无定形态的混乱度更大,根据G=H-TS,无定形态的熵比晶型的大,自由能更低?不知道这样解释正确不?
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wormma

木虫 (正式写手)

One for All, All for One

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感谢参与,应助指数 +1
wangwei51669(金币+19): 2011-12-28 10:44:46
wangwei51669: 回帖置顶 2011-12-28 10:44:52
drg1984(金币+1, CMEI+1): 感谢热心帮助! 2011-12-28 10:54:56
1L的问题是个热力学问题。其实在很多与晶体相关的相变过程中,都涉及这一问题,即相变能否发生的问题。比如,无定形能否变为晶体,晶体能否从溶液中结晶,以及晶体中的无序现象,都可以从热力学的角度得到一些比较深刻的理解。当然,动力学问题也必须考虑。

1L给出了Gibbs 自由能的公式G=H-TS. 公式中H=U+pV。G是Gibbs自由能,H是焓,T是温度,S是熵,p是压力,V是体积,U是内能。在考虑1L的问题时,用如下公式会比较方便:G=U-TS+pV。

在常压下考虑问题时,与U和TS项相比,pV项可以忽略。于是
G=U-TS。
从上述公式可以看出,反应的Gibbs自由能由两项决定:U和TS。体系可以降低内能,或增加S来使转变得以进行。

对于结晶态来说,其内能U主要有两部分构成:动能和势能。由于晶体中的原子都处于平衡态,因此与无定形态及其他物态相比,内能最低。这是结晶态的基本性质之一。同时,由于原子排列的周期性,导致S也很低。实际上,结晶态在0K时的熵S定义为0.

而对于无定形态来说,U要比结晶态高。这很容易理解,也可以从实验上观察到。结晶态可以通过升温然后快速冷却的办法转变为即无定形态。但同时,无定形态中原子排列不规则,其S也比晶态大。

于是在一定的p,T条件下,晶态和无定形态到底那个更稳定,是由U和TS的差值,即G=U-TS决定,而不是由S单独决定的。

顺便说一下两个相关问题。

第一个,我们知道,晶体都是有缺陷的,完美晶体(ideal crystal)是不存在的。原因是缺陷的存在虽然导致了U的增加,但同时也引起S的增加,但总的效果是G降低,从而是晶体更稳定。

第二个,是晶体中经常存在的位置无序问题。即原子可以统计占据两个或几个能量状态完全相同的位置。既然能量状态完全相同,为什么要占据多个位置,而不是仅占据其一呢?从G=U-TS可以看出,不同的展位方式不会引起U的变化,T也是相同的。但是统计占据多个位置时,S明显大于占据一个位置时。于是统计展位时G更低,更稳定。
OneforAll,AllforOne
3楼2011-12-28 10:27:02
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ggzxlove

银虫 (小有名气)

【答案】应助回帖

感谢参与,应助指数 +1
wangwei51669(金币+1): 2011-12-27 21:28:24
一般在不破坏晶格的前提下,晶态要转变往往要克服晶格能,所以稳定性高。但是有些晶体有缺陷的,一旦晶格破坏,会比无定型还不稳定的。
2楼2011-12-27 14:04:48
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ggzxlove

银虫 (小有名气)

说的太好了,受教了,感谢
4楼2011-12-28 21:27:10
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