На головну

Три стану речовини. Енергетичні умови процесу кристалізації

  1.  B. Чи мислення окремим випадком інформаційного процесу?
  2.  C) Еволюція статевого процесу у рослин
  3.  C. Питання 41. Показники стану, руху і використання основних фондів
  4.  C. Неадекватність вихідної методологічної установки теоретико-інформаційного процесу феномену цілісності мислення
  5.  Hарушеніе умови очікування додаткових ресурсів
  6.  I. Виробничі умови праці
  7.  I. Гальмування процесу модернізації в Японії

Будь-яка речовина, як відомо, може перебувати в трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. В чистих металах при певних температурах відбувається зміна агрегатного стану: тверде стан змінюється рідким при температурі плавлення, рідкий стан переходить в газоподібний при температурі кипіння. Температури переходу залежать від тиску, але при постійному тиску вони цілком визначені.

При переході з рідкого стану в тверде утворюється кристалічна решітка, виникають кристали. Такий процес називають кристалізацією. Чим пояснюється існування при одних температурах рідкого, а при інших температурах твердого стану і чому перетворення відбувається при певних температурах?

У природі все мимоволі що протікають перетворення, а отже, кристалізація і плавлення обумовлені тим, що новий стан в нових умовах є енергетично більш стійким, володіє меншим запасом енергії.

Енергетичне стан системи, яка має величезне число охоплених тепловим рухом частинок (атомів, молекул), характеризується особливою термодинамічної функцією F, званої вільної енергією (вільна енергія F = U - TS, де U - внутрішня енергія системи; Т - абсолютна температура; S - ентропія ).

Зі зміною зовнішніх умов, наприклад температури, вільна енергія системи змінюється по складному закону, але по-різному для рідкого і кристалічного станів. Схематично характер зміни вільної енергії рідкого і твердого станів з температурою показаний на рис.2.1.

Вище температури Тs меншою вільної енергією володіє речовина в рідкому стані, нижче Тs - Речовина в твердому стані. Отже, вище Тs речовина повинно знаходитися в рідкому стані, а нижче Тs - В твердому, кристалічному.

Очевидно, що при температурі, яка дорівнює Тs, Вільні енергії рідкого і твердого станів рівні, метал в обох станах знаходиться в рівновазі. Ця температура Тs і є рівноважна або теоретична температура кристалізації.

Однак при Тs не може відбуватися процес кристалізації (плавлення), тому що при даній температурі Fж = Fкр.

Для початку кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі і супроводжувався зменшенням вільної енергії. Температура, при якій практично починається кристалізація, може бути названа фактичної температурою кристалізації.

Охолодження рідини нижче рівноважної температури кристалізації називається переохолодженням. Різниця Dt між температурою ts і температурою tk, При якій протікає кристалізація, називається ступенем переохолодження: Dt = ts - tk.

На рис.2.2 наведені криві охолодження, побудовані методом термічного аналізу, які характеризують процес кристалізації чистих металів при охолодженні з різною швидкістю V. При повільному охолодженні ступінь переохолодження невелика, і кристалізація протікає при температурі, близькій до рівноважної (крива V1 ). На кривих охолодження при температурах кристалізації відзначаються горизонтальні майданчики (зупинка в падінні температури), утворення яких пояснюється виділенням прихованої теплоти кристалізації.

Зі збільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає (криві V2 , V3 ), І процес кристалізації протікає при температурах, що лежать значно нижче tn. Ступінь переохолодження Dt залежить від природи і чистоти металу; зазвичай вона не перевищує 10-30 0С. Чим чистіше рідкий метал, тим він більш схильний до переохолодження. При дуже великих швидкостях охолодження можна отримувати "аморфний" метал.

Процес кристалізації починається з освіти кристалічних зародків (центрів кристалізації) і триває при їх зростанні (рис.2.3). Поки що утворилися кристали ростуть вільно, вони можуть мати геометрично щодо правильну форму. При зіткненні ж зростаючих кристалів їх правильна форма порушується. В результаті зростаючі кристали, що мають спочатку геометрично правильну форму, після затвердіння отримують неправильну зовнішню форму, їх називають кристаллитами або зернами.

У процесі кристалізації виникають зародки різного розміру, проте не всі вони здатні до зростання. Це пояснюється тим, що з одного боку, при кристалізації енергія Гіббса, зменшується внаслідок переходу деякого об'єму рідкого металу в твердий (рис.2.4, крива 1), а з іншого боку-зростає (рис.2.4, крива 2) завдяки утворенню поверхні розділу , з якою пов'язана деяка поверхнева енергія або енергія поверхневого натягу.

При утворенні зародка розміром менше Rk (Рис.2.4, крива 3) вільна енергія системи зростає, так як приріст енергії Гіббса внаслідок утворення нової поверхні перекриває його зменшення в результаті утворення зародків твердого металу.

Отже, зародок розміром менше Rk рости не може і розчиняється в рідкому металі. Якщо виникає зародок розміром більше Rk, То він стійкий і здатний до зростання, так як при збільшенні його розмірів енергія Гіббса системи зменшується.

Мінімальний розмір зародка Rk, Здатного до зростання при даних температурних умовах, називається критичним розмірів зародка.

C збільшенням ступеня переохолодження розмір критичного зародка зменшується, а отже, число зародків, здатних до зростання зростає.

Швидкість процесу кристалізації і будова металу після затвердіння залежать від числа зародків, що виникають в одиницю часу в одиниці об'єму та від швидкості росту зародків.

Чим більше центрів кристалізації (зародків), і менше швидкість їх росту, тим дрібніше кристал, який із одного зародка (зерно металу). Величина зерна може змінюватися в межах від 0,4 до 0,001 мм. При невеликому ступені переохолодження число зародків мало і швидкість росту велика. У цих умовах буде отримано велике зерно. Зі збільшенням ступеня переохолодження число зародків зросте в більшій мірі, ніж швидкість їх росту і розмір зерна в затверділому металі зменшується (рис.2.5). Чим більше розмір зерна, тим нижче пластичність і міцність металу.

Для отримання дрібного зерна часто використовують процес модифікування. При модифікуванні в розплавлений метал вводять невелику кількість спеціальних речовин (модифікаторів), які, практично не змінюючи його хімічного складу, викликають при кристалізації подрібнення зерна і тим сприяють поліпшенню механічних властивостей.




 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 1 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 2 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 3 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 4 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 5 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 6 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 7 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 8 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 9 сторінка |  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ 10 сторінка |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати