Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии 


Энергетические причины процесса кристаллизации




Любую систему атомов (т.е. вещество) можно характеризовать некоторой термодинамической функцией F, которую называют свободной энергией:

F = U – T×S, (3.1)

где U – полная энергия системы атомов; T – абсолютная температура; S – энтропия системы атомов (энтропия это мера беспорядка).

Предоставленная сама себе система атомов всегда стремится в состояние с наименьшей свободной энергией. Чем меньше свободная энергии системы атомов, тем она более стабильна, более устойчива.

Как видно из формулы свободная энергия системы атомов с повышением температуры уменьшается, причём по-разному для упорядоченной и неупорядоченной системы атомов. Для неупорядоченной системы атомов, т.е. для жидкого состояния, у которого энтропия выше, уменьшение свободной энергии более стремительное, чем в случае упорядоченного, т.е. кристаллического состояния вещества (рис. 3.1.).

       
 
   
Рис 3.1. Зависимость свободной энергии системы атомов от температуры   Кр. – упорядоченная система атомов (кристалл); Ж. – неупорядоченная система атомов (жидкость).  
 

 


При некоторой температуре TS наблюдается совпадение свободных энергий жидкого и кристаллического состояний вещества, т.е. пересечение графиков, отражающих изменение свободной энергии системы атомов с температурой. При температурах ниже TS меньше свободная энергия у кристаллического состояния и поэтому при таких температурах системе выгоднее находится в кристаллическом состоянии. При температурах выше TS , напротив, меньше свободная энергия у жидкого состояния, и здесь системе выгоднее быть в жидком состоянии. Таким образом, температура TS отделяет область существования жидкого и кристаллического состояний вещества. В то же время при данной температуре в реальных условиях охлаждения или нагрева не наблюдается перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое, поскольку при этой температуре FЖ=FКр и у вещества нет никаких причин для изменения агрегатного состояния.

Температуру TS называют теоретической или иначе равновесной температурой кристаллизации (плавления) вещества. Именно эту температуру для различных веществ обычно указывают в справочниках.

Для начала процесса кристаллизации жидкого расплава необходимо охладить его до температур чуть ниже TS. Тогда FКр окажется меньше FЖ и процесс перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое окажется энергетически выгодным. Другими словами реальный процесс кристаллизации всегда происходит в условиях некоторого переохлаждения расплава. По тем же причинам реальный процесс плавления всегда идёт в условиях некоторого перегрева вещества.

Температуру, при которой наблюдается реальный процесс кристаллизации расплава, называют фактической температурой кристаллизации. Эта температура всегда ниже TS, в то время как фактическая температура плавления всегда выше TS. Степенью переохлаждения расплава (ΔТ) называют разницу между теоретической и фактической температурами кристаллизации. Степенью перегрева называют разницу между фактической и теоретической температурами плавления вещества. Степень переохлаждения расплава тем выше, чем ниже фактическая температура кристаллизации вещества. (На рис. 3.1 T2 < T1 , поэтому ΔT2 > ΔT1).

 

Кривые охлаждения металлов

С увеличением степени переохлаждения расплава возрастает выигрыш в энергии (Δ F), связанный с переходом вещества из жидкого состояния в кристаллическое (на рис. 3.1. ΔF2 > ΔF1). Эту выделяющуюся при кристаллизации энергию называют скрытой теплотой кристаллизации. Скрытая теплота кристаллизации компенсирует отвод тепла от охлаждаемого жидкого металла пока идёт процесс его затвердевания. В результате температура металла при кристаллизации остается постоянной. Этот факт отражает теоретическая кривая охлаждения чистого металла, содержащая при температуре TS горизонтальную площадку (рис. 3.2.).

       
 
   
Рис. 3.2. Кривые охлаждения чистых металлов: 1 – теоретическая; 2 – реальная. Т – температура, t – время.
 

 

 


Реальная кривая охлаждения металла выглядит несколько иначе. Она отражает факт переохлаждения расплава и поэтому здесь горизонтальная площадка располагается при температурах ниже TS. Кроме того, на площадке наблюдается выброс вверх, обусловленный бурным выделением скрытой теплоты кристаллизации в начальный момент затвердевания расплава. Выброс тем больше, чем большая масса металла кристаллизуется.

 





Рекомендуемые страницы:


Читайте также:

  1. B. Энергетические феномены тонкого тела
  2. I. Фаза накопления отклонений объекта от нормального протекания процесса.
  3. II. Возврат причины и следствия на их законные места
  4. II.4. Особенности процесса социализации в маргинальный переходный период.
  5. IV. Причины и экономические последствия Великих географических открытий
  6. V. Развитие капитализма в Германии XVIII в. - причины экономической отсталости
  7. VII.3. Социально-педагогическая превенция процесса криминализации неформальных подростковых групп.
  8. XVII ВЕК В ИСТОРИИ ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЫ И РОССИИ. ОСОБЕННОСТИ РОССИЙСКОГО ИСТОРИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ЕГО ФАКТОРЫ
  9. А. В процессе плавления. Б. В процессе отвердевания. В. Одинакова в обоих процессах.
  10. АВТОМАТИКА И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
  11. Адаптация или разработка системы непрерывного контроля и улучшения процесса. Реинжиниринг процессов
  12. АЛИМЕНТАРНО-ЗАВИСИМЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ, ПРИЧИНЫ, ПРОФИЛАКТИКА


Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 274; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2019 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.005 с.) Главная | Обратная связь