Condiții energetice ale procesului de cristalizare. De ce apar transformările la temperaturi strict definite - Lucrări de control, secțiunea Tehnologii înalte, Știința materialelor Condiții energetice ale procesului de cristalizare. De ce apar transformările?
Condiții energetice ale procesului de cristalizare. De ce apar transformările la temperaturi strict definite. Orice substanță, după cum se știe, poate fi în trei stări agregate, gazoasă, lichidă și solidă.
În metale pure, la anumite temperaturi apare o schimbare a stării agregate, starea solidă este înlocuită de o stare lichidă la punctul de topire, starea lichidă este transformată într-o stare gazoasă la punctul de fierbere. Temperaturile de tranziție depind de presiune, dar la o presiune constantă ele sunt destul de clare. Când trece dintr-o stare lichidă într-un solid, se formează o rețea de cristal, apar cristale.
Acest proces se numește cristalizare. Explicația pentru existența la anumite temperaturi ale lichidului și la alte temperaturi în stare solidă și de ce conversia are loc la temperaturi bine definite în natură care apar toate spontan de conversie și, în consecință, cristalizarea și topirea datorită faptului că noul stat în noul mediu este energetic mai stabil, are mai puțină energie.
Să explicăm un exemplu. Bilele grele din poziția 1 din Fig. 1 tinde să se într-o poziție mai stabilă 2, deoarece energia potențială în poziția 2 este mai mică decât la poziția 1. Starea energetică a unui sistem care are un număr mare de particule acoperite de mișcarea termică atomi, molecule, caracterizat printr-o funcție termodinamică specială F, numită energie liberă FU liberă a energiei TS, unde U este energia internă a sistemului T este temperatura absolută S este entropia.
Putem spune că mai mult energia liberă a sistemului, sistemul este mai puțin stabil, și, dacă este posibil, sistemul se mută într-o stare în care energia liberă este mai puțin ca o minge care se rostogolește în jos din poziția 1 în poziția 2, în cazul în care nu există nici un obstacol în calea. Odată cu schimbarea condițiilor externe, cum ar fi temperatura, energia liberă a sistemului ea variază într-o lege complicat, dar diferit pentru starea lichidă și cristalină.
Schematic, natura modificării energiei libere a stărilor lichide și solide cu temperatură este prezentată în Fig. 2 Deasupra temperaturii Ts, mai mică decât energia liberă, substanța are o stare lichidă, sub Ts substanța în stare solidă. În consecință, peste Ts, substanța trebuie să fie în stare lichidă și sub Ts, într-o stare solidă, cristalină. Este evident că, la o temperatură egală cu Ts, energiile libere ale stărilor lichide și solide sunt egale, metalul în cele două stări este în echilibru.
Această temperatură Ts este temperatura de cristalizare echilibrată sau teoretică. Cu toate acestea, la Ts, procesul de cristalizare la topire nu poate avea loc, deoarece la o temperatură dată Fg Fcr și procesul de cristalizare, 2. Modificarea energiei libere a stărilor lichid 1 și cristalin 2 în funcție de temperatură Fig. 27. Curbele de răcire pentru cristalizarea topirii cristalizării nu pot să apară, deoarece prin egalitatea ambelor faze acest lucru nu va fi însoțit de o scădere a energiei libere.
Pentru a începe cristalizarea, este necesar ca procesul să fie benefic din punct de vedere termodinamic pentru sistem și să fie însoțit de o scădere a energiei libere a sistemului. Din curbele din Fig. 2 că acest lucru este posibil numai când lichidul este răcit sub punctul Ts. Temperatura la care începe practic cristalizarea poate fi numită temperatura reală de cristalizare. Răcirea lichidului sub temperatura de cristalizare a echilibrului se numește subrăcire.
Aceste motive, de asemenea, stipulează că transformarea inversă de la starea cristalină la lichid poate să apară numai deasupra temperaturii Ts, acest fenomen se numește supraîncălzire. Mărimea sau gradul de supracolizare este diferența dintre temperatura teoretică și cea reală de cristalizare. Procesul de tranziție a unui metal de la starea lichidului la starea cristalină poate fi reprezentat de curbele din coordonatele temperaturii timpului Fig. 3. Răcirea metalului în stare lichidă este însoțită de o scădere treptată a temperaturii și poate fi numită răcire simplă, deoarece nu există nicio modificare calitativă a stării.
Când temperatura de cristalizare atinge curba temperaturii, curba de timp 1 apare în figura 3, deoarece îndepărtarea căldurii este compensată de căldura latentă de cristalizare eliberată în timpul cristalizării. La sfârșitul cristalizării, adică după o tranziție completă la o stare solidă, temperatura începe din nou să scadă și materialul cristalin solid se răcește.
Teoretic, procesul de cristalizare este reprezentat de curba 1. Curba 2 prezintă procesul actual de cristalizare. Lichidul este răcit continuu până la o temperatură de supercoolizare Tn situată sub temperatura teoretică de cristalizare Ts. Atunci când se răcește sub temperatura Ts, se creează condițiile de energie necesare pentru ca procesul de cristalizare să aibă loc. Pentru unele metale, datorită căldurii latente ridicate de fuziune a subrăcire este eliberată la un prim punct de cristalizare atât de rapid încât temperatura crește se apropie brusc curba teoretică 3, figura 3. Cu cât este mai mare rata de răcire, cu atât este mai mare valoarea supercoolizării. Pentru supraracita complet metalic în stare lichidă necesită viteză de răcire mare de milioane și chiar miliarde de grade pe secundă, răcirea metalului topit la temperatura mediului ambiant trebuie efectuată astfel încât să se obțină un supraracita r metal lichid. E. metalic având o structură cristalină pentru o mică fracțiune secunde.
Un astfel de metal se numește sticlă amorfă sau metalică, care începe să fie folosită în practică. 1.3.