Металловедение и термическая обработка металлов
Категория реферата: Рефераты по науке и технике
Теги реферата: реферат по технологии, контрольные работы 2 класс
Добавил(а) на сайт: Abramov.
Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 | Следующая страница реферата
1.2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения происходят при строго определенных температурах?
Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного стояния твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления но при постоянном давлении они вполне определенны.
При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией. Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?
В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
Поясним примером. Тяжелый шарик из положения 1 (рис. 1) стремится попасть в более устойчивое положение 2, так как потенциальная энергия в положении 2 меньше, чем в положении 1.
Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (свободная энергия F = U — ТS, где U — внутренняя энергия системы; Т— абсолютная температура; S—энтропия). Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше («подобно» шарику, который скатывается из положения 1 в положение 2, если на пути нет препятствия).
С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний. Схематически характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с температурой показан на рис. 2
Выше температуры Тs, меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Тs — вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше Ts, вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Тs, — в твердом, кристаллическом.
Очевидно, что при температуре, равной Ts, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура Ts и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.
Однако при Ts не может происходить процесс кристаллизации (плавление), так как при данной температуре Fж = Fкр и процесс
Рис. 2. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояния в зависимости от температуры
Рис. 27. Кривые охлаждения при кристаллизации
кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве обеих фаз это не будет сопровождаться уменьшением свободной
энергии.
Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рис. 2 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки Ts. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением.
Указанные причины обусловливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры Ts; это явление называется перенагреванием.
Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время — температура (рис. 3).
Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния.
При достижении температуры кристаллизации на кривой температура — время появляется горизонтальная площадка (кривая 1, рис.3), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс | кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации Ts. При охлаждении ниже температуры Ts создаются энергетические условия, необходимые для протекания процесса кристаллизации.
У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота плавления выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается, приближается к теоретической (кривая 3, рис.3).
Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: оформление доклада, эффективность диплом.
Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 | Следующая страница реферата