Ch8 熱力學與動力學簡介

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這章在回答:自然界為什麼會變化?往哪個方向變、最後停在哪裡(熱力學)?變得多快(動力學)?為什麼火柴一擦就燒、女王頭卻要幾千年才風化,明明都是和氧反應?

考前 30 秒

  1. 第一定律 ΔE = Q − W(進入系統的熱為正、系統對外作功為正);膨脹功 W = PΔV。
  2. 焓 H ≡ E + PV;等壓下 ΔH = QP;ΔH < 0 放熱、> 0 吸熱。★ 2024 C2 推導
  3. 熵 ΔS ≡ Qrev/T;第二定律 ΔS ≥ Q/T,隔離系統總熵只增不減;第三定律 limT→0 S = 0。
  4. G = H − TS,ΔG = ΔH − TΔS;ΔG < 0 自發、= 0 平衡、> 0 非自發。★ 2024 C3 推導
  5. (∂G/∂T)P = −S(升溫 G 降,熵大的降得快);(∂G/∂P)T = V(加壓 G 升,體積大的升得快)。★ 2022 E3
  6. 平衡:G 最低,且所有強度變數(T、P、μ)在系統內都相同。★
  7. 相律 P + F = C + 2;等壓相圖 F = C + 1 − P;二元共晶點 F = 0。★
  8. 相圖名詞:液相線、固相線、固溶線、共晶點;槓桿定律算比例。★ 每年必考
  9. 傳輸定律 J = −常數 × d(強度變數)/dx:Darcy、Fick、Fourier;Arrhenius k = A e−Ea/RT。★
  10. 定年要成立:封閉系統、衰變常數固定、知道初始子元素;封存溫度以下時鐘才開始走。

先認識的名詞

名詞English一句話
熱力學thermodynamics研究能量與能量轉換的科學(heat in motion)
系統system要討論的那一塊空間,邊界可以是真的或想像的
狀態變數state variable只和現在的狀態有關、和路徑無關(T、P、V、E、H、S、G)
過程變數path variable和路徑有關(熱 Q、功 W)
強度變數intensive variable和系統大小無關(T、P、ρ、μ、濃度)
廣度變數extensive variable和系統大小成正比(m、V、E、H、S)
焓enthalpy (H)H ≡ E + PV;等壓下的熱變化
熵entropy (S)系統的無序程度;ΔS = Qrev/T
吉布斯自由能Gibbs free energy (G)G = H − TS;定溫定壓下判斷反應方向
化學勢chemical potential (μ)定溫定壓下某成分增加 1 mol 時 G 的變化率
相律Gibbs phase ruleP + F = C + 2
液相線liquidus高於此溫度全為液體
固相線solidus低於此溫度全為固體
固溶線solvus分隔單一固溶體與兩個固相共存區的線
共晶點eutectic point兩種以上固體同時從液體結晶的最低溫、特定成分點
槓桿定律lever rule由連結線的長度比算出兩相的比例
一致熔融congruent melting固體熔成和自己相同成分的液體
不一致熔融incongruent melting固體熔成另一種固體 + 成分不同的液體(包晶反應)
封存溫度closure temperature低於此溫度子元素不再擴散逸失、定年時鐘開始的溫度

這一章的邏輯地圖

邏輯地圖
自然往哪走?多快?
熱力學 → 方向與終點;動力學 → 速率
基本名詞
系統、熱與功、狀態變數、強度/廣度
三大定律與 H、S、G
ΔE = Q − W;ΔS ≥ Q/T;G = H − TS;兩個推導
G 怎麼隨 T、P、成分變
−S、V、μ;平衡條件
相圖
相律;Al₂SiO₅;共晶、槓桿;固溶體;固溶線
動力學
傳輸定律;Arrhenius;衰變;封存溫度
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:整章是一條推導鏈。第一定律 + 焓 → 等壓下 ΔH = Q;再加第二定律 → ΔG ≤ 0;把 G 對 T、P、n 微分 → −S、V、μ;兩相 G 相等的地方就是相圖上的線(Clapeyron);μ 等強度變數不均勻時物質會流動,流多快由傳輸定律和 Arrhenius 決定。

★ = 考試重點。

1. 基本名詞

  • 熱力學(heat in motion)研究熱、功、電能、化學能等能量的轉換,是工業革命想讓蒸汽機效率最大化的產物,所以很多名詞帶著歷史痕跡。熱力學給出自然反應的方向與最後的平衡狀態;動力學研究速率。
  • 系統:必須說清楚空間範圍——一顆被晶面包圍的單晶、被圍岩包住的岩漿庫、一座湖,或湖中想像的 1 m³ 水。
孤立 Isolated質量 ✗ 能量 ✗功絕熱 Adiabatic質量 ✗ 熱 ✗ 功 ✓熱封閉 Closed質量 ✗ 能量 ✓熱物質開放 Open質量 ✓ 能量 ✓
系統依「能不能交換質量、能不能交換能量」分成四種。粗牆:什麼都不能進出;虛線外框:隔熱,但可以被活塞作功。自繪示意圖;概念參考:White (2013);課堂投影片 Ch8
  • 熱與功:ΔE = Q − W。進入系統的熱為正,系統對外作的功為正。膨脹功 W = P × ΔV(P 是外部壓力)。Joule 的實驗證明熱和功等價。
  • 狀態變數 vs 過程變數:T、P、V、E、H、S 只看現在的狀態;Q、W 和路徑有關。
互動:狀態函數同一個起點和終點,走不同的路:Q、W 會變,ΔU 不會變
V (L)P(kPa)102030100200狀態 1狀態 2
先在高壓下膨脹,再降壓。橘色面積 = 氣體對外作的功。
功 W(外界對氣體)= -4,000 J
熱 Q(氣體吸收)= 5,500 J
ΔU = Q + W = 1,500 J
三條路的 Q、W 都不一樣(路徑函數),但加起來的 ΔU 永遠是 1,500 J:U 只看起點和終點,所以是狀態函數。
  • 強度變數:與系統大小無關,描述局部狀態:T、P、ρ、μ、濃度。廣度變數:與大小成正比,系統加倍它也加倍:m、V、E、H、S。
  • 能量 = 強度變數 × 廣度變數(例:PV、TS、μn)。
自我檢測 1
  1. 熱力學和動力學各回答什麼問題?
  2. 第一定律中 Q 和 W 的正負號慣例?
  3. 狀態變數和過程變數各舉例。
  4. 強度變數和廣度變數的差別?各舉三例。

答案:(1) 熱力學:反應的方向與最後的平衡狀態;動力學:反應的速率。(2) 進入系統的熱 Q 為正;系統對外作的功 W 為正(ΔE = Q − W)。(3) 狀態變數:T、P、V、E、H、S、G;過程變數:Q、W。(4) 強度變數與系統大小無關(T、P、ρ、μ),廣度變數與大小成正比(m、V、H、S)。

2. 三大定律與 H、S、G ★

定律內容式子
第一定律:能量守恆能量不能創造或銷毀,只能轉換ΔE = Q − W
第二定律:熵增隔離系統的總熵在自然過程中增加,最大時達到平衡ΔStotal ≥ 0
第三定律:絕對零度0 K 時完美晶體的熵為零limT→0 S = 0

焓 H

廣度變數,定義 H ≡ E + PV。等壓下,焓的變化直接等於吸收或放出的熱(例:1 atm 下冰融化、水蒸發)。放熱 ΔH < 0、吸熱 ΔH > 0。

【推導 ★ 2024 C2】由 ΔU = Q − W,推導恆壓下 ΔH 與 Q 的關係。

解:

  1. 定義:U(或 E)是內能、Q 是系統吸收的熱、W 是系統對外作的功、P 是壓力、V 是體積、H ≡ U + PV 是焓。
  2. 恆壓下只有膨脹功:W = PΔV,代入第一定律:ΔU = QP − PΔV → QP = ΔU + PΔV。
  3. 由焓的定義:ΔH = ΔU + Δ(PV) = ΔU + PΔV + VΔP。恆壓 ΔP = 0,所以 ΔH = ΔU + PΔV。
  4. 比較 2 和 3:ΔH = QP。恆壓下焓變就是系統吸收(ΔH > 0)或放出(ΔH < 0)的熱。

熵 S

廣度變數,描述系統的無序程度。可逆反應中,系統在等溫下得到或失去的熱:ΔS ≡ Qrev/T。可逆反應以無限小的步驟進行、系統始終平衡;逆轉時系統與環境都不變,總熵變化為 0。

實際上自然界的反應都是不可逆的:實際的 Q 不等於可逆時的熱,還會伴隨額外的熵產生,所以 ΔS ≥ Q/T。自然過程有方向性,總是朝熵增進行。

吉布斯自由能 G

G=H−TS,ΔG=ΔH−TΔS  (定溫)G = H - TS, \qquad \Delta G = \Delta H - T\Delta S \;(\text{定溫})

結合第一、第二定律,描述定溫定壓下系統的反應方向:

ΔG意義
< 0自發,系統往自由能低的方向進行
= 0平衡
> 0非自發,需要外界作功

【推導 ★ 2024 C3】由第一、第二定律推導如何用 G 判斷定溫定壓下過程的自發性。

解:

  1. 定義:H 焓、T 絕對溫度、S 熵、Q 系統吸收的熱、G ≡ H − TS 吉布斯自由能。
  2. 第二定律:ΔS ≥ Q/T → Q ≤ TΔS(不可逆取 <、可逆取 =)。
  3. 由 C2,恆壓下 Q = ΔH,代入:ΔH ≤ TΔS,即 ΔH − TΔS ≤ 0。
  4. 定溫下 ΔG = ΔH − Δ(TS) = ΔH − TΔS,所以 ΔG ≤ 0。
  5. 結論:定溫定壓下自發(不可逆)過程 ΔG < 0;平衡(可逆)ΔG = 0;ΔG > 0 的過程不會自發發生(逆反應才是自發的)。兩個相的 G 相等的時候就是相平衡點。
自我檢測 2
  1. 寫出熱力學三大定律。
  2. 推導恆壓下 ΔH = Q。
  3. 為什麼實際過程是 ΔS ≥ Q/T 而不是等號?
  4. 由第一、二定律推導 ΔG ≤ 0。
  5. 一個反應 ΔH > 0、ΔS > 0,什麼條件下會自發?

答案:(1) 能量守恆 ΔE = Q − W;熵增 ΔStotal ≥ 0;絕對零度時完美晶體熵為 0。(2) 恆壓 W = PΔV → QP = ΔU + PΔV;ΔH = ΔU + PΔV + VΔP,ΔP = 0 → ΔH = ΔU + PΔV = QP。(3) 自然界的反應都不可逆,會額外產生熵,所以熵變大於 Q/T。(4) Q ≤ TΔS,恆壓 Q = ΔH → ΔH − TΔS ≤ 0;定溫 ΔG = ΔH − TΔS → ΔG ≤ 0。(5) 高溫時:TΔS > ΔH,ΔG < 0(例:熔融、蒸發)。

3. G 隨溫度、壓力與成分的變化

等壓下,升溫時 G 降低,降低的速率由熵決定:

(∂G∂T)P=−S\left(\frac{\partial G}{\partial T}\right)_P = -S

推導:dG = dH − d(TS) = dH − TdS − SdT;dH = TdS + VdP,等壓 dH = TdS → dG = −SdT。

互動:誰的 G 比較低,誰就穩定拉溫度,看冰和水的 G 誰在下面
T (K)GTm ≈ 273 K水(較陡)冰(較平)
冰 → 水:ΔG = ΔH − TΔS
= 6010 − 250 × 22.0
= 510 J/mol
穩定的是:冰
熔化要吸熱(ΔH > 0,不利),但會變亂(ΔS > 0,有利)。溫度低時 H 贏,維持冰;溫度高時 TΔS 贏,變成水。平手的那一點 ΔG = 0,就是熔點 Tm = ΔH/ΔS。

等溫下,加壓時 G 增加,增加的速率由體積決定:

(∂G∂P)T=V\left(\frac{\partial G}{\partial P}\right)_T = V

推導:dG = TdS + VdP − TdS − SdT,等溫 dT = 0 → dG = VdP。

【例題 ★ 2022 E3】單成分系統的等溫 G–P 圖,A、B、C 三條直線分別是固、液、氣。(1) 斜率等於哪個參數?(2) 怎麼判斷誰是哪一相?(3) 各壓力區間誰是平衡相?(4) 兩條相交處的垂直虛線代表什麼?

解:(1) (∂G/∂P)T = V(莫耳體積)。(2) 氣體體積最大 → 斜率最陡的是氣體;液體次之;固體體積最小 → 斜率最緩。(3) 每個壓力下 G 最低的相穩定:低壓是氣體、中壓是液體、高壓是固體。(4) 兩線交點 G 相等 = 兩相平衡:氣–液交點是沸騰/凝結(蒸發),液–固交點是熔融/凝固。(水例外:冰的體積比水大,所以加壓反而讓冰融化。)

G 是狀態變數,和路徑無關:

ΔG=(−S ΔT)P+(V ΔP)T(固定成分)\Delta G = (-S\,\Delta T)_P + (V\,\Delta P)_T \quad(\text{固定成分})

成分改變時,用化學勢 μi = (∂G/∂ni)T,P,nj(定溫定壓下,增加一莫耳成分 i 時 G 的變化率):

ΔG=−SΔT+VΔP+∑iμiΔni,G=∑iμini\Delta G = -S\Delta T + V\Delta P + \sum_i \mu_i \Delta n_i, \qquad G = \sum_i \mu_i n_i

自由能也是**強度變數(μ)× 廣度變數(n)**的總和。化學勢隨莫耳分率降低而對數下降:μi = μi∗ + RT ln xi(μi∗ 是純物質 i 的化學勢;xi → 1 時 μi = μi∗)。

熱力學平衡 ★

  1. 所有自然反應持續往降低 G 的方向變化,直到 G 最低、ΔG = 0。
  2. 系統內所有強度變數(T、P、μ)都保持固定。如果不是,就會試圖消除梯度:溫度梯度 → 熱從高溫流到低溫;壓力梯度 → 物質從高壓流到低壓;化學勢梯度 → 物質從高 μ 擴散到低 μ;電勢梯度 → 電荷流動。(2024 填充 B10:平衡時所有的 強度 變數保持固定。)
自我檢測 3
  1. (∂G/∂T)P 和 (∂G/∂P)T 各等於什麼?推導其一。
  2. 為什麼升溫時液體會比固體穩定?
  3. 化學勢的定義?
  4. 熱力學平衡的兩個條件?

答案:(1) −S 與 V;等壓:dG = dH − TdS − SdT,dH = TdS(等壓)→ dG = −SdT。(2) 液體熵比固體大,G–T 線斜率(−S)比較陡,升溫時液體的 G 降得快,超過熔點後 G 比固體低。(3) 定溫定壓、其他成分固定時,成分 i 增加一莫耳造成 G 的變化率 μi = (∂G/∂ni)。(4) G 達最低(ΔG = 0);系統內所有強度變數(T、P、μ)都相同。

4. 相圖 ★

知道每個礦物的 H 和 S,就能算出任何溫壓下的 G,G 最低的就穩定;畫成圖就是相圖。

單成分相圖與相律

平衡時兩相的 ΔG = 0,所以 −ΔS ΔT + ΔV ΔP = 0,相界的斜率是 Clapeyron 方程式:

dPdT=ΔSΔV\frac{dP}{dT} = \frac{\Delta S}{\Delta V}

三相點 F = 0藍晶石 Ky紅柱石 And矽線石 Sil線上:兩相、F = 1區域內:一相、F = 220040060080000.51溫度(°C)GPa
單成分(Al₂SiO₅)溫壓相圖。藍晶石(kyanite)在高壓、紅柱石(andalusite)在低壓低溫、矽線石(sillimanite)在高溫。相律 P + F = C + 2,C = 1:區域內只有一相,F = 2(溫度、壓力都能變);線上兩相共存,F = 1(定了溫度,壓力就跟著定);三相點 F = 0,三相共存只能在唯一的一組溫壓(約 504 °C、0.38 GPa)。線的斜率就是 Clapeyron 方程式 dP/dT = ΔS/ΔV。變質岩中出現哪一種,可以大致告訴我們它經歷的溫壓。自繪示意圖;概念參考:Holdaway (1971);課堂投影片 Ch8

吉布斯相律:

P+F=C+2P + F = C + 2

P:共存的相數;F:自由度(可以獨立改變而不改變相組合的變數數目);C:成分數;2:溫度和壓力。

  • 單成分(C = 1):不變點 F = 0(三相)、單變線 F = 1(兩相)、雙變區 F = 2(一相)。
  • 固定壓力的溫度–成分圖:F = C + 1 − P。
互動:石墨–鑽石相圖拉溫度和壓力,看這一點哪個相穩定
鑽石穩定(ΔG < 0)石墨穩定(ΔG > 0)T (°C)P(GPa)0500100015000246
石墨 → 鑽石:
ΔG ≈ 2865 + 3.37 × (T − 298) − 1.881 × P
= 1,925 J/mol
這個溫度的相界壓力 ≈ 1.52 GPa
穩定的是:石墨
加壓有利體積小的鑽石(ΔV < 0);升溫有利熵大的石墨(ΔS < 0)。相界斜率 = ΔS/ΔV ≈ 1.79 MPa/K,所以溫度越高,要越大的壓力才長得出鑽石。

二元共晶系統:透輝石–鈣長石 ★

礦物和岩石通常不只一種成分,會出現哪些相不只由溫壓決定,也和成分有關。多維相圖很難畫,一般**固定一個變數(如壓力)**畫 2D 的溫度–成分圖。

為什麼加了東西熔點會下降?(食鹽水比純水凝固點低)溶液中 H₂O 的化學勢 μ = μ∗ + RT ln X 比純水低(X < 1),固體要在更低溫才能和它平衡。推出來是凝固點下降方程式:ln X = (ΔHfus/R)(1/Tm − 1/T)。所以兩種礦物混合時,熔點都會往中間降,交在共晶點。

互動:二元共晶相圖與槓桿定律透輝石–鈣長石(1 atm);拉成分和溫度
液體 LDi + LAn + LDi + An(固體)液相線固相線 1274 °C共晶點 E02040608010012001300140015001600DiAnwt % 鈣長石
液相線溫度(開始結晶):1438 °C
相:只有液體(熔體)
液體 = 70 % An
槓桿定律:液體 100 %
自由度(等壓)F = C + 1 − P = 2
槓桿定律:在兩相區,畫一條水平連結線(橘),兩端是兩個相的成分。整體成分點把連結線分成兩段,某一相的比例 = 對面那段長度 ÷ 全長。例如 70 % An 的熔體冷到液相線(約 1440 °C)開始析出鈣長石,液體成分沿液相線往共晶點移動;到 1274 °C 液體剩 30/58 ≈ 52 %,透輝石和鈣長石一起結晶直到液體用完。相圖依 Bowen (1915) 的端點與共晶點,曲線形狀是示意。
  • 液相線(liquidus):高於此線全為液體;冷卻碰到它開始結晶。
  • 固相線(solidus):低於此線全為固體(共晶系統中就是通過共晶點的水平線)。
  • 共晶(eutectic):在特定成分和溫度下,兩種(以上)固體同時從液體結晶。共晶點是液體能存在的最低溫度。
  • 共晶點的自由度:等壓下 F = C + 1 − P = 2 + 1 − 3 = 0,是等壓不變點,溫度停住直到液體用完。
  • 槓桿定律:兩相區內,液體重量/鈣長石重量 = 對面那段 ÷ 這段,也就是某相的比例 = 整體成分點到「另一相」那端的距離 ÷ 連結線全長。
  • 岩漿快速冷卻會來不及結晶,形成玻璃。
  • 組織:輝綠組織(ophitic)——輝石大晶體包住斜長石長條;同時結晶的共晶組織:文象花崗岩(石英與鹼性長石楔形共生)、花斑組織 granophyric(石英與鈉長石穿插)。

【例題 ★ 完整解】70 wt% An 的熔體從 1600 °C 冷卻,描述結晶過程。

解:

  1. 1600 °C:全部液體,F = 2。
  2. 約 1440 °C 碰到液相線,開始析出鈣長石(純 An)。
  3. 繼續降溫,鈣長石一直析出,液體成分沿液相線往共晶點(42 % An)移動,F = 1。例如 1350 °C 時液體約 54 % An,液體比例 = (100 − 70)/(100 − 54) ≈ 65 %。
  4. 1274 °C(共晶點):液體 42 % An,比例 = (100 − 70)/(100 − 42) ≈ 52 %;透輝石和鈣長石同時結晶,三相共存,F = 0,溫度不變直到液體用完。
  5. 1274 °C 以下:全部固體,透輝石 30 % + 鈣長石 70 %。最先結晶的鈣長石成為較大的斑晶,周圍是共晶的細粒混合物。

一致熔融與不一致熔融

  • 一致熔融(congruent melting):固體熔成和自己相同成分的液體(例:鈉長石;石英–霞石系統中央的鈉長石把相圖分成兩半)。(2022 英文名詞 B5)
  • 不一致熔融(incongruent melting):固體熔成另一種固體 + 成分不同的液體。例:頑火輝石加熱到 1557 °C,在包晶點分解成鎂橄欖石 + 富 SiO₂ 的熔體,這叫包晶反應(peritectic)。反過來冷卻時,橄欖石會和岩漿反應長出斜方輝石的反應邊(原本被鉻鐵礦包住的橄欖石,外面變成 Opx)。

完全固溶體:橄欖石、斜長石 ★

互動:完全固溶體與槓桿定律Mg₂SiO₄–Fe₂SiO₄;液體和固體的成分都會變
液體 L橄欖石固溶體 Ol液相線固相線0204060801001200140016001800Fa 1205 °CFo 1890 °C% Mg₂SiO₄
開始結晶(液相線):1790 °C;完全固化(固相線):1592 °C
相:液體 + 橄欖石
液體 = Fo63,析出的橄欖石 = Fo87
槓桿定律:液體 70 %、橄欖石 30 %
和共晶不同,這裡只有一種固體,但它的成分會變:最先析出的橄欖石最富 Mg(Fo 高、熔點高),隨著降溫,液體和固體都沿各自的曲線往 Fa 方向移動。平衡結晶時,最後固體成分回到整體成分;如果晶體來不及和液體反應,就會留下核心富 Mg、外圈富 Fe 的環帶。2024 期中 C5 考的就是這三個溫度:先在考卷附圖上畫水平連結線讀出兩端成分,再用槓桿定律算比例。這裡的曲線是示意形狀,數字要以考卷附圖量的為準,方法一樣。
  • 完全固溶體(2024 C4):兩端成分在固態下可以任意比例互溶,形成單一結構的連續系列。橄欖石 Fo(Mg₂SiO₄,1890 °C)–Fa(Fe₂SiO₄,1205 °C)就是例子。形成條件:兩種替換的離子電價相同、半徑相近(Mg²⁺ 0.72 Å、Fe²⁺ 0.78 Å),結構相同,所以在所有溫度都能互換,相圖上沒有共晶點,只有一個透鏡形的「液相線+固相線」兩相區。
  • 斜長石 Ab(鈉長石)–An(鈣長石)也是。岩漿庫對流造成溫度上下起伏,或複雜擴散,讓斜長石長出震盪環帶(oscillatory zoning)。

【例題 ★ 2024 C5】70 % Mg₂SiO₄ 的岩漿從 1900 °C(A)冷卻,分析 1750 °C(B)和 1650 °C(C)時的岩漿成分、析出的橄欖石成分、兩者比例。

解(方法):

  1. 在 A 點(1900 °C)高於液相線,全為液體 Fo70。
  2. B 點:從 (Fo70, 1750 °C) 畫水平連結線,左端碰液相線讀出液體成分 xL,右端碰固相線讀出橄欖石成分 xS(比 70 更富 Mg)。
  3. 槓桿定律:液體比例 = (xS − 70)/(xS − xL);橄欖石比例 = (70 − xL)/(xS − xL)。
  4. C 點同樣做一次:溫度越低,兩端都往 Fa 移,液體比例越少。
  5. 以上面互動圖的示意曲線:B 點液體約 Fo63、橄欖石約 Fo87,液體約 70 %;C 點液體約 Fo48、橄欖石約 Fo76,液體約 23 %。考試要用考卷附圖、直尺量,數字會不一樣,但步驟相同。

固溶線與離溶:鹼性長石、鉀鹽–岩鹽 ★

  • 固溶線(solvus):分隔單一固溶體區域和兩個(以上)固相共存區域的線。高溫時兩端可完全互溶,冷到固溶線下就**離溶(exsolution)**成兩相。
  • 鹼性長石:0.5 GPa 下形成的超固溶(hypersolvus)花崗岩:先析出單一的透長石,冷卻時離溶成條紋長石(perthite);0.2 GPa 下的亞固溶(subsolvus)花崗岩:固溶線和固相線相交,一開始就析出鈉長石固溶體和正長石固溶體兩種長石。
互動:鉀鹽–岩鹽相圖(2025 期中 C5–C7)液相線、固相線、固溶線三條線;O → A → B → C
最低熔點 657 °C熔體 L單一 (Na,K)Cl 固溶體岩鹽 ss + 鉀鹽 ss固溶線液相線固相線020406080100200400600800KClNaClmol % NaCl
相:只有熔體 L
熔體 = 72 mol% NaCl
這是「高溫完全固溶、低溫離溶」的系統,和投影片的鹼性長石(超固溶花崗岩)是同一種圖形。考卷把 657 °C 那點叫 eutectic point,嚴格說它是最低熔點(固溶線沒有碰到固相線,所以不是真的共晶),作答時兩個名字都寫上最安全。曲線形狀與數字是依文獻端點畫的示意,實際作答要用考卷附圖讀值,判斷的邏輯一樣:在哪一區 → 有哪些相 → 水平連結線兩端讀成分。

【例題 ★ 2025 C5–C7(27 分)】鉀鹽 KCl–岩鹽 NaCl 相圖。

C5 名詞:液相線(高於此全為熔體)、固相線(低於此全為固體)、固溶線(以下單一固溶體離溶成兩相)、共晶點(考卷用語;這張圖中是液相線與固相線相切的最低熔點)。在圖上標註時要四個都標清楚。

C6:72 mol% NaCl 從 800 °C(O)冷卻。

  • A(700 °C):在液相線與固相線之間 → 熔體 + 富 NaCl 的岩鹽固溶體;熔體成分讀液相線(比 72 % 偏 KCl)、固體成分讀固相線(比 72 % 偏 NaCl)。(若考卷圖中 700 °C 已在固相線下,就是單一固溶體——一定要看圖。)
  • B(550 °C):固相線以下、固溶線以上 → 單一 (Na,K)Cl 固溶體,成分 = 72 % NaCl。
  • C(300 °C):固溶線以下 → 岩鹽固溶體 + 鉀鹽固溶體兩相,成分各讀固溶線左右兩支(互動圖的示意值約 86 % NaCl 和 22 % NaCl),比例用槓桿定律。

C7(純化岩鹽):

  1. 加熱到液相線以上(約 > 750 °C,依圖)使整塊雜鈉鉀岩完全熔融。
  2. 慢慢降溫進入「熔體 + 岩鹽固溶體」兩相區,剛跨過液相線時析出的晶體最富 NaCl。
  3. 在該溫度把晶體和熔體分離(過濾、倒出熔體),取出晶體。
  4. 把晶體重新加熱熔化,再重複 2–3(分步結晶):每做一次晶體就更接近純 NaCl,最後得到近乎純的岩鹽。
  5. 也可以說明:低溫(固溶線下)雖然會離溶出岩鹽相,但兩相細密共生、難以物理分離,所以最好在高溫的兩相區用分步結晶取鹽。

三元相圖

三成分系統畫成等壓的三角形,液相面(liquidus surface)用等溫線表示,像地形圖一樣。

自我檢測 4
  1. 寫出相律並說明各符號;單成分系統的不變點、單變線、雙變區自由度各是多少?
  2. 等壓二元系統的共晶點自由度是多少?為什麼?
  3. 解釋 liquidus、solidus、solvus、eutectic point。
  4. 槓桿定律怎麼用?
  5. 一致熔融和不一致熔融的差別?頑火輝石屬於哪一種?
  6. 什麼是完全固溶體?形成條件?

答案:(1) P + F = C + 2;P 相數、F 自由度、C 成分數、2 是溫度和壓力;F = 0、1、2。(2) 0:等壓下 F = C + 1 − P = 2 + 1 − 3 = 0,是等壓不變點。(3) 液相線:高於此全為液體;固相線:低於此全為固體;固溶線:分隔單一固溶體區與兩固相共存區;共晶點:兩種固體同時從液體結晶的最低溫度與特定成分。(4) 在兩相區畫水平連結線,兩端是兩相成分;某一相的比例 = 整體成分點到另一相端點的距離 ÷ 連結線全長。(5) 一致熔融熔成同成分液體;不一致熔融熔成另一種固體加不同成分的液體(包晶反應);頑火輝石是不一致熔融(1557 °C 變成鎂橄欖石 + 熔體)。(6) 兩端成分在固態任意比例互溶成單一結構的連續系列;條件是替換離子電價相同、半徑相近、結構相同(如 Mg²⁺–Fe²⁺)。

5. 動力學:速率、傳輸、衰變與封存溫度 ★

地球為了消除強度變數的梯度、達到平衡而不停變化。熱力學說平衡長什麼樣,動力學才說多快。速率差異極大,從火山氣體爆發到板塊緩慢移動,但都遵守類似的法則。

傳輸定律

Jx=−常數×d(強度變數)dxJ_x = -\text{常數} \times \frac{d(\text{強度變數})}{dx}

定律流動的東西驅動的梯度常數
Darcy流體水頭(壓力)dh/dx水力傳導係數 Kh
Fick原子擴散濃度 dc/dx擴散係數 D
Fourier熱傳導溫度 dT/dx熱傳導係數 KT

負號表示從高往低流。三者數學形式一樣,懂一個就懂全部。(2024 填充 B11:各種物質流動都可用 傳輸 定律描述。)

Arrhenius 方程式

k=A e−Ea/RTk = A\,e^{-E_a/RT}

k:反應速率常數、A:頻率因子、Ea:活化能、R:氣體常數、T:絕對溫度。溫度越高、活化能越低,反應越快。擴散係數也一樣:D = D₀ e−E/RT。

反應物產物EₐΔG反應進行 →動力學:山多高? 熱力學:高低差多少?Eₐ分子的能量 →低溫高溫翻得過山的分子
左:熱力學只比較起點和終點的高低(ΔG),決定反應往哪邊走;動力學看中間的山有多高(活化能 Eₐ),決定走得多快。右:分子的能量有一個分布,只有能量超過 Eₐ 的(塗色部分)才翻得過山。溫度升高,分布往高能量拉長,超過 Eₐ 的比例急遽增加,所以速率隨溫度指數上升。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 Ch8

回答開頭的問題:火柴燃燒和女王頭風化都是和氧反應,ΔG 都 < 0(熱力學上都會發生),差在速率:摩擦提供能量越過活化能、燃燒放熱又持續提高溫度(指數加速);常溫下砂岩的化學風化活化能高、溫度低,所以要幾千年。

放射性衰變與定年

衰變例子變化
β⁻⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr中子變質子,Z + 1
β⁺/電子捕獲⁴⁰K → ⁴⁰Ar質子變中子,Z − 1
α¹⁴⁷Sm → ¹⁴³Nd放出 ⁴He,Z − 2、A − 4
自發分裂²³⁸U、²³⁹Pu核分裂成兩半,留下分裂徑跡

年齡方程式:D = D₀ + N(eλt − 1)。要成立需要:封閉系統、衰變常數 λ 固定、知道初始子元素 D₀(最好是 0)。

【例題 2021 填充 C29】鈾 235 經過 7 次 α 和 4 次 β 衰變變成鉛,鉛的原子序?解:92 − 7 × 2 + 4 × 1 = 82。

諧和曲線(Concordia):始終封閉的含 U 岩石,²⁰⁶Pb/²³⁸U 對 ²⁰⁷Pb/²³⁵U 作圖會落在一條隨年齡變化的曲線上;落在曲線上的叫諧和年齡(2021 名詞解釋 Concordia age、2022 填充 C37)。

封存溫度 ★

U–Pb(鋯石)Rb–Sr(白雲母)K–Ar(角閃石)K–Ar(黑雲母)Rb–Sr(黑雲母)分裂徑跡 FT(鋯石)分裂徑跡 FT(磷灰石)0 °C200 °C400 °C600 °C800 °C1000 °C
常見定年系統的封存溫度(約略範圍,依礦物與冷卻速率而變)。溫度高於封存溫度時,子元素會擴散跑掉,時鐘一直被歸零;冷到封存溫度以下,時鐘才開始走。所以同一顆岩石用不同方法定年會得到不同年齡,越低封存溫度的方法記錄越晚的冷卻。考古題的排序(高 → 低):U–Pb > Rb–Sr > K–Ar > 分裂徑跡;分裂徑跡是在顯微鏡下數輻射損傷的軌跡,是唯一不需要質譜儀的方法。自繪示意圖;概念參考:Reiners & Brandon (2006);課堂投影片 Ch8

Dodson 方程式:

Tc=E/Rln⁡ ⁣(ARTc2D0/a2E dT/dt)T_c = \frac{E/R}{\ln\!\left(\dfrac{A R T_c^2 D_0 / a^2}{E \, dT/dt}\right)}

封存溫度由擴散動力學(E、D₀)、粒徑 a、幾何因子 A、冷卻速率 dT/dt 決定:顆粒越大、冷卻越快、活化能越高 → 封存溫度越高。

自我檢測 5
  1. 寫出傳輸定律的通式,以及 Darcy、Fick、Fourier 各描述什麼。
  2. 寫出 Arrhenius 方程式並說明各項。
  3. 火柴燃燒和砂岩風化都是 ΔG < 0,為什麼速率差那麼多?
  4. 年齡方程式成立的三個條件?
  5. 什麼是封存溫度?受哪些因素影響?
  6. U–Pb、Rb–Sr、K–Ar、分裂徑跡的封存溫度由高到低?哪一個不需要質譜儀?

答案:(1) J = −常數 × d(強度變數)/dx;Darcy:流體流動(水頭梯度)、Fick:原子擴散(濃度梯度)、Fourier:熱傳導(溫度梯度)。(2) k = A e−Ea/RT;k 速率常數、A 頻率因子、Ea 活化能、R 氣體常數、T 絕對溫度。(3) 熱力學只決定方向;速率由動力學決定,火柴摩擦提供能量越過活化能、燃燒放熱使溫度上升,速率指數增加;風化在常溫下活化能高,非常慢。(4) 封閉系統、衰變常數固定、知道初始子元素含量。(5) 低於此溫度子元素不再擴散逸失、定年時鐘開始累積的溫度;受活化能、頻率因子、粒徑、幾何、冷卻速率影響。(6) U–Pb > Rb–Sr > K–Ar > 分裂徑跡;分裂徑跡(在顯微鏡下數徑跡)不需要質譜儀。

容易混淆

這個那個差別
狀態變數過程變數只看狀態(H、S、G)/看路徑(Q、W)
強度變數廣度變數與大小無關(T、P、μ)/成正比(V、H、S)
ΔHΔG等壓下的熱/定溫定壓下的方向
(∂G/∂T)P(∂G/∂P)T−S/V
單變線不變點兩相、F = 1/三相、F = 0
液相線固相線開始結晶/完全固化
固相線固溶線液固界線/兩種固體離溶的界線
共晶包晶液體 → 兩種固體同時結晶/固體 → 另一種固體 + 液體
一致熔融不一致熔融熔成同成分液體/熔成另一固體 + 不同成分液體
共晶系統固溶體系統析出純礦物、液體成分變/析出的固體成分也會變
熱力學動力學方向、終點/速率

章末綜合題

  1. 2024 C2、C3:兩個推導(各 6 分),要定義各參數並寫出步驟。
  2. 2024 C4–C5:解釋完全固溶體並用槓桿定律分析 Fo70 的冷卻(各 6、8 分)。
  3. 2025 C5–C7:鉀鹽–岩鹽相圖名詞、讀相、設計純化步驟(27 分)。
  4. 2022 E3:等溫 G–P 圖判斷固液氣(10 分)。
  5. 2021 E4:畫出橄欖石相圖(Fa 1205 °C、Fo 1890 °C),寫出相律。