admin / 07.10.2018

Температура кристаллизации

ТЕМПЕРАТУРА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.

Адрес этой страницы

<<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

ТЕМПЕРАТУРА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ — температура (Тs), при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний металла равны; металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эту температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации (рис. Т-6). Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энергии системы, что возможно при охлаждении металла ниже Ts. Темперу Тn, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической. Охлаждение металла ниже Ts называется переохлаждением. Со-ответственно переход из кристаллического состояния в жидкое происходит выше Тс это явление называется перегревом. У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота кристаллизации выделяется настолько бурно, что температура скачкообразно повышается, приближаясь к Ts (кривая 3 на рис.).

Рис. Т-6. Температурные кривые кристаллизации:

1, 2, 3 — кривые соответственно теоретического процесса, реального процесса и процесса кристаллизации с большим переохлаждением металла; Ts и Тn — температуры теоретической и фактической кристаллизации; n степень переохлаждения

ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ. ТЕМПЕРАТУРА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Источник: http://delta-grup.ru/bibliot/31/776.htm

Кристаллизация металлов и сплавов

Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы, 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.

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией (F ), называемой свободной энергией, которая определяется:

F= U – TS,

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.

С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и твердого состояний (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры

Выше температуры Тs меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Ts – вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше Ts вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Ts – 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 Fж = Fкр, и процесс кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве свободных энергий обеих фаз плавление (кристаллизация) не будут сопровождаться уменьшением свободной энергии.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Их кривых (рис. 3.1) 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 температуры кристаллизации называется переохлаждением.

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 T = Ts — Tф.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кривые охлаждения, полученные при кристаллизации металла

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 температур кристаллизации на кривой температура – время появляются горизонтальные площадки (рис.3.2), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации.

3.2. Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Модель кристаллизации металла в первые 7 секунд охлаждения представлена схемой процесса кристаллизации (рис.3.3) и кинетической кривой кристаллизации (рис.3.4).

Рис. 3.3. Схема процесса кристаллизации

Рис. 3.4. Кинетическая кривая кристаллизации

По мере развития кристаллизации в нем участвуют все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов начинает заметно препятствовать их росту. Рост кристаллов замедляется еще и потому, что количество жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше. В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается. Внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Вот почему кристаллы металла — зерна (кристаллиты) не имеют правильной формы.

Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис.3.5).

Рис. 3.5. Зависимость скорости кристаллизации (СК) и скорости зарождения центров кристаллизации (ЧЦ) от степени переохлаждения

Величины оптимального переохлаждения до достижения максимальной скорости кристаллизации (СК) и до образования максимального числа центров кристаллизации (ЧЦ) не совпадают.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения СК и ЧЦ. При большом значении СК и малом значении ЧЦ образуется мало крупных кристаллов. При малых значениях СК и больших ЧЦ образуется большое число мелких кристаллов.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша.

Источник: https://StudFiles.net/preview/5759690/page:5/

ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
(точка затвердевания) — температура, при которой жидкость превращается в твердое вещество. Для чистого вещества совпадает с его температурой плавления, т.е. температурой перехода из твердого состояния в жидкое. Строго определенную температуру затвердевания имеют лишь чистые кристаллические вещества. Аморфные же, т.е. некристаллические вещества (например, стекло, сливочное масло), затвердевают (и плавятся) в некотором интервале температур. Для таких веществ проводят различие между температурами затвердевания и плавления: под температурой затвердевания понимают температуру, при которой в системе при охлаждении появляются первые признаки твердой фазы либо при нагревании исчезают последние ее следы, а под температурой плавления — наинизшую температуру, при которой в процессе охлаждения исчезают последние следы жидкой фазы или при нагревании появляются первые ее признаки. Температура затвердевания большинства веществ немного изменяется при изменении давления: как правило, она повышается с его повышением. Смеси жидкостей, например воды и спиртов, тоже затвердевают (замерзают) в широком интервале температур, причем температура их замерзания всегда ниже, чем у чистого компонента с более высокой точкой замерзания. Поэтому в качестве одного из компонентов антифриза в системе охлаждения автомобилей широко применяются этиловый спирт (температура замерзания -130° С) и этиленгликоль (температура замерзания -25° С). Температура, при которой замерзают последние следы жидкой смеси, может быть гораздо ниже, чем у компонента с более низкой точкой замерзания. Некоторые вещества, например иод и парадихлорбензол, переходят из твердого состояния сразу в газообразное (сублимируются). У них нет ни температуры плавления, ни температуры затвердевания.
ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ (ПЛАВЛЕНИЯ) НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ
(на уровне моря)
Вещество __________ Температура, °С
Вода ____________________0
Золото _______________1062
Изопропиловый спирт ___-89
Метиловый спирт _______-97,8
Морская вода ___________-2,5
Ртуть _________________-38,87
Серебро _______________960
Этиленгликоль _________-25
Этиловый спирт _______-130
Эфир _________________-117,6
При определенных условиях жидкости можно охладить ниже их истинной температуры затвердевания без перехода в твердое состояние. Такие жидкости называется переохлажденными. Поскольку твердое тело нельзя «перегреть» так, чтобы оно не перешло в жидкость, температуры плавления и затвердевания обычно определяют экспериментально по расплавлению. Это позволяет избежать ошибки, обусловленной переохлаждением жидкости. По тем же соображениям в научной и технической литературе при описании физических свойств вещества предпочитают термин «температура плавления».
См. также
ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ;
ТЕПЛОТА;
ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ.
ЛИТЕРАТУРА
Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975 Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., 1978

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/5777/%D0%A2%D0%95%D0%9C%D0%9F%D0%95%D0%A0%D0%90%D0%A2%D0%A3%D0%A0%D0%90

Температура плавления

Плавление льда

Температура плавления (обычно совпадает с температурой кристаллизации) — температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать), и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.

Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура застывания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.

Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления — точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определенной температурой плавления, как чистые вещества.

Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.

Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.). Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана:

T λ = x m 2 9 ℏ 2 M k B θ r s 2 {\displaystyle T_{\lambda }={\frac {x_{m}^{2}}{9\hbar ^{2}}}Mk_{B}\theta r_{s}^{2}}

где r s {\displaystyle r_{s}} — средний радиус элементарной ячейки, θ {\displaystyle \theta } — температура Дебая, а параметр x m {\displaystyle x_{m}} для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления – Расчет

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

В 1999г. И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

Тпл = DHпл / 1,5 N0 k, (1)

где Тпл – температура плавления; DHпл – скрытая теплота плавления; N0 – скрытая теплота плавления; k – константа Больцмана.

Впервые получено исключительно компактное выражение (1) для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Точность расчетов по (1) можно оценить по данным таблицы.

Таблица.

Температура плавления некоторых металлов. Расчет по (1)

Me Al V Mn Fe Ni Cu Zn Sn Mo
DHпл

ккал

моль-1

2,5 5,51 3,5 4,4 4,18 3,12 1,7 1,7 8,7
Тпл, К

по (1)

876 1857 1179 1428 1406 1051 583 529 2945
Тпл, К

Эксп.

933 2190 1517 1811 1728 1357 692 505 2890

По этим данным, точность расчетов Тпл меняется от 2 до 30%, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.

Формула (1) выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000г..

— Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Изд. ВлГУ. Владимир. 2000. 256 с.

температура кристаллизации

Смотреть что такое «температура кристаллизации» в других словарях:

  • температура кристаллизации — kristalizavimosi temperatūra statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. crystallization temperature vok. Kristallisationstemperatur, f rus. температура кристаллизации, f pranc. température de cristallisation, f … Radioelektronikos terminų žodynas

  • температура кристаллизации — kristalizacijos temperatūra statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. temperature of crystallization vok. Kristallisationstemperatur, f rus. температура кристаллизации, f pranc. température de cristallisation, f … Fizikos terminų žodynas

  • ТЕМПЕРАТУРА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ — температура (Тs), при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний металла равны; металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эту температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации (рис. Т 6). Для… … Металлургический словарь

  • температура кристаллизации раствора — Температура, при которой из жидкого раствора с данной концентрацией растворенного вещества (веществ) начинают появляться, при условии равновесия, кристаллы твердой фазы … Политехнический терминологический толковый словарь

  • температура затвердевания — температура кристаллизации — Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы температура кристаллизации EN solidification temperature … Справочник технического переводчика

  • Температура — – физическая величина, характеризующая степень нагрева системы, пропорциональная средней кинетической энергии хаотического движения частиц, составляющих систему. … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • температура начала кристаллизации раствора — температура ликвидуса Температура, при которой из жидкого раствора с данной концентрацией могут появляться первые равновесные с ним кристаллы. Тематики нефтепродукты EN freezing point of petroleum product … Справочник технического переводчика

  • температура начала кристаллизации (парафина) — — Тематики нефтегазовая промышленность EN chilling temperature … Справочник технического переводчика

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/avto/1475/%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0

FILED UNDER : Разное

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*