Енергетичні умови процесу кристалізації. Чому перетворення відбуваються при строго певних температурах - Контрольна Робота, розділ Високі технології, матеріалознавство Енергетичні Умови Процесу Кристалізації. Чому Перетворення Відбуваються.
Енергетичні умови процесу кристалізації. Чому перетворення відбуваються при строго певних температурах. Будь-яка речовина, як відомо, може перебувати в трьох агрегатних станах газоподібному, рідкому і твердому.
В чистих металах при певних температурах відбувається зміна агрегатного стояння твердий 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 певні. При переході з рідкого стану в тверде утворюється кристалічна решітка, виникають кристали.
Такий процес називається кристалізацією. Чим пояснюється існування при одних температурах рідкого, а при інших температурах твердого стану і чому перетворення відбувається при строго 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.
Пояснимо прикладом. Важкий кульку з положення 1 рис. 1 прагне потрапити в більш стійке положення 2, так як потенційна енергія в положенні 2 менше, ніж в положенні 1. Енергетичне стан системи, яка має величезне число охоплених тепловим рухом частинок атомів, молекул, характеризується особливою термодинамічної функцією F, званої вільної енергією вільна енергія FU ТS, де U внутрішня енергія системи Т абсолютна температура S ентропія.
Можна сказати, що чим більше вільна енергія системи, тим система менш стійка, і якщо є можливість, то система переходить в стан, де вільна енергія менше подібно кульці, який скочується з положення 1 в положення 2, якщо на шляху немає перешкоди. 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 показано на рис. 2 Вище температури Тs, меншою вільної енергією володіє речовина в рідкому стані, нижче ТS речовина в твердому стані. Отже, вище Ts, речовина повинна знаходитися в рідкому стані, а нижче ТS, в твердому, кристалічному. Очевидно, що при температурі, яка дорівнює Ts, вільні енергії рідкого і твердого станів рівні, метал в обох станах знаходиться в рівновазі.
Ця температура Ts і є рівноважна або теоретична температура кристалізації. Однак при Ts не може відбуватися процес кристалізації плавлення, так як при даній температурі Fж Fкр і процес Рис. 2. Зміна вільної енергії рідкого 1 і кристалічного 2 стану в залежності від температури Рис. 27. Криві охолодження при кристалізації кристалізації плавлення не може йти, так як при рівності обох фаз це не буде супроводжуватися зменшенням вільної енергії.
Для початку кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі і супроводжувався зменшенням вільної енергії системи. З кривих, наведених на рис. 2 видно, що це можливо тільки тоді, коли рідина буде охолоджена нижче точки Ts. Температура, при якій практично починається кристалізація, може бути названа фактичною температурою кристалізації. Охолодження рідини нижче рівноважної температури кристалізації називається переохолодженням.
Зазначені чинники обумовлюють і те, що зворотне перетворення з кристалічного стану в рідкий може відбутися тільки вище температури Ts це явище називається перегріву. Величиною або ступенем переохолодження називають різницю між теоретичною і фактичною температурами кристалізації. Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах час температура рис. 3. Охолодження металу в рідкому стані супроводжується плавним зниженням температури і може бути названо простим охолодженням, так як при цьому немає якісної зміни стану.
При досягненні температури кристалізації на кривій температура час з'являється горизонтальна площадка крива 1, рис.3, оскільки відвід тепла компенсується що виділяється при кристалізації прихованою теплотою кристалізації. Після закінчення кристалізації, т. Е. Після повного переходу в твердий стан, температура знову починає знижуватися, і тверде кристалічна речовина охолоджується.
Теоретично процес кристалізації зображується кривої 1. Крива 2 показує реальний процес кристалізації. Рідина безперервно охолоджується до температури переохолодження Тп, що лежить нижче теоретичної температури кристалізації Ts. При охолодженні нижче температури Ts створюються енергетичні умови, необхідні для протікання процесу кристалізації. У деяких металів через велику переохолодження прихована теплота плавлення виділяється в перший момент кристалізації настільки бурхливо, що температура стрибкоподібно підвищується, наближається до теоретичної крива 3, рис.3. Чим більше швидкість охолодження, тим більше величина переохолодження. Для того, щоб повністю переохолодити метал в рідкому стані потрібні великі швидкості охолодження мільйони і навіть мільярди градусів в секунду, охолодження рідкого металу до кімнатної температури слід проводити так, щоб отримати переохолоджену рідкий метал т. Е. Метал, який не має кристалічної будови за мізерну частку секунди.
Такий, метал називається аморфним або металевим склом, який починає застосовуватися на практиці. 1.3.