Контрольная работа: Затвердевание сплавов Строение жидкого металла Термодинамические стимулы и кинетические возможности

1. Жидкое и твёрдое состояние

Все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдое, жидкое и газообразное. Переход между ними сопровождается скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств.

Реализация агрегатного состояния вещества зависит от температуры (Т ) и давления (Р ), при которых оно находится.

В газах межмолекульные расстояния большие, молекулы не взаимодействуют друг с другом. У газа отсутствует объём и форма.

Жидкости и твёрдые тела имеют постоянный, собственный объём (т. к. атомы взаимодействуют друг с другом).

В жидкости происходят малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Жидкое состояние характеризуется ближним порядком в расположении атомов. Жидкости характерна некоторая зависимость в расположении атомов; характерное свойство жидкости – текучесть. Ближний порядок динамически неустойчив. С повышением температуры размеры объемов с ближним порядком (фазовых флуктуаций), уменьшаются.

Атомы в твердом теле совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов в пространстве на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т.е. существует дальний порядок в расположении атомов; образуется кристаллическая решетка. Твердому телу характерна стабильная, постоянная форма.

2. Термодинамические условия кристаллизации

Переход металла из жидкого состояния в твёрдое (кристаллическое) называется кристаллизацией.

Кристаллизация (или плавление) протекает в условиях, когда система переходит к термодинамическому более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией.

Энергетическое состояние системы, характеризуется термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (это только часть системы):

F = U – TS,

где U – полная энергия;

T – абсолютная температура К⁰ ;

S – энтропия (характеризует степень порядка; чем больше беспорядок, тем больше энтропия).

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры показано на рис. 1.

Рисунок 1. Изменение свободной энергии металла в жидком (F_Ж ), в твердом (F_Т ) состоянии в зависимости от температуры

Система с большой свободной энергией менее устойчива, и, следовательно, стремится перейти к устойчивому состоянию с минимальной свободной энергией. Выше температуры Т_П устойчив жидкий металл (при Т₁ →F_ж <F_т ), имеющий меньший запас свободной энергии, ниже этой температуры устойчив твердый металл (при Т_к → F_т < F_ж ).

При Т_П величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны: F_ж = F_т . Температура Т_П – равновесная температура кристаллизации (плавления) вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут (F_ж = F_т) существовать одновременно и бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре не начинается.

Кристаллизация начнется, при создании специальных условий, когда возникнет разность свободных энергий Δf, то есть вследствие уменьшения свободной энергии твердого металла по сравнению жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже Т_П .

Разность между температурами Т_П и Т_к , при которых может протекать кристаллизация, носит название степени переохлаждения:

Δ Т = Т_П – Т _к

где Т _к – фактическая температура кристаллизации.

Кристаллизация может характеризоваться термическими кривыми охлаждения (рис. 2). Рассмотрим процесс кристаллизации чистых металлов с разной скоростью охлаждения.

Скорость V₁ – очень медленное охлаждение, степень переохлаждения ΔТ₁ – невелика, кристаллизация протекает при температуре близкой к равновесной Т_П .

На кривой охлаждения имеется горизонтальная площадка, образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--