Smeltning

Smeltning  er processen med overgangen af ​​et legeme fra en krystallinsk fast tilstand til en flydende tilstand, det vil sige overgangen af ​​et stof fra en aggregeringstilstand til en anden. Smeltning sker med absorptionen af ​​smeltevarmen og er en førsteordens faseovergang , som er ledsaget af en brat ændring i varmekapaciteten ved et specifikt temperaturomdannelsespunkt for hvert stof - smeltepunktet .

Evnen til at smelte refererer til et stofs fysiske egenskaber [1]

Ved normalt tryk har wolfram det højeste smeltepunkt blandt metaller (3422 °C), blandt simple stoffer  - kulstof (ifølge forskellige kilder 3500 - 4500 °C [2] ), og blandt vilkårlige stoffer - tantal-hafniumcarbid Ta 4 HfC 5 (3942°C). Vi kan antage, at helium har det laveste smeltepunkt : ved normalt tryk forbliver det flydende ved vilkårligt lave temperaturer.

Mange stoffer ved normalt tryk har ikke en flydende fase. Når de opvarmes, går de straks over i en gasform ved sublimering .

Smelteblandinger og faste opløsninger

Legeringer har som regel ikke et specifikt smeltepunkt; processen med deres smeltning sker i et begrænset temperaturområde. På tilstandsdiagrammerne "temperatur-relativ koncentration" er der et begrænset område af sameksistens mellem de flydende og faste tilstande, begrænset af liquidus- og solidus- kurverne . En lignende situation opstår i tilfælde af mange faste opløsninger .

Amorfe legemer har heller ikke et fast smeltepunkt ; de går gradvist over i flydende tilstand, blødgørende med stigende temperatur.

Smeltekinetik

Teknisk set udføres smeltningen af ​​et stof ved at tilføre termisk energi uden for prøven (ekstern opvarmning, for eksempel i en termisk ovn) eller direkte i hele dets volumen (intern opvarmning, for eksempel resistiv opvarmning ved at lede strøm gennem prøven eller induktionsopvarmning i et højfrekvent elektromagnetisk felt). Metoden til smeltning påvirker ikke processens hovedkarakteristika - temperaturen og latent smeltevarme, men bestemmer det eksterne mønster af smeltning, for eksempel udseendet af et kvasi-flydende lag på overfladen af ​​prøven under ekstern opvarmning .

Det menes, at smeltning er kendetegnet ved tab af langdistanceorienterende interatomisk orden i krystallen med overgangen til "væskelignende" eller "gastæt" lidelse.

Arten af ​​smeltning

Lad os først forklare, hvorfor kroppen ved en bestemt temperatur foretrækker at bryde nogle af de interatomiske bindinger og fra en ordnet tilstand (krystal) gå ind i en uordnet tilstand ( væske ).

Som det er kendt fra termodynamikken , har kroppen ved en fast temperatur en tendens til at minimere fri energi . Ved lave temperaturer er det andet led (produktet af temperatur og entropi ) ubetydeligt, og som et resultat kommer alt ned på at minimere almindelig energi . Den minimale energitilstand er et krystallinsk fast stof. Efterhånden som temperaturen stiger, bliver det andet led mere og mere vigtigt, og ved en vis temperatur viser det sig at være mere rentabelt at bryde nogle bindinger. I dette tilfælde vil den almindelige energi stige lidt, men entropien vil også stige meget, hvilket vil resultere i et fald i fri energi.

Smeltedynamik

Oprindeligt, i en spekulativ, det vil sige ikke kvantitativ, repræsentation, troede man, at i dynamik forekommer smeltning som følger. Med en stigning i kropstemperaturen øges amplituden af ​​termiske vibrationer af dets molekyler, og fra tid til anden opstår strukturelle gitterdefekter i form af atomspring, vækst af dislokationer og andre krænkelser af krystalgitteret [4] . Hver sådan defekt, fremkomsten og bevægelsen af ​​dislokationer kræver en vis mængde energi, da det er ledsaget af brydning af nogle interatomiske bindinger. Fødselsstadiet og akkumulering af defekter kaldes forsmeltningsstadiet. Derudover vises der på dette stadium som regel under ekstern opvarmning et kvasi-flydende lag på overfladen af ​​kroppen. Det antages, at ved en bestemt temperatur bliver koncentrationen af ​​defekter så høj, at det fører til tab af orienteringsorden i prøven, dvs. smeltning.

Men på grund af det faktum, at mekanismen for termisk ødelæggelse af en krystal på grund af dannelsen af ​​defekter og væksten af ​​dislokationer, som forekommer i et bredt temperaturområde, ikke fører til en fasetransformation af den 1. slags, dvs. til et spring i et stofs termodynamiske egenskaber i en bestemt temperatur fastsat for hvert stofpunkt, så udviklede Lindemann [5] simple ideer om smelteprocessens forløb, ifølge hvilke amplituden af ​​partikeloscillationer ved smeltepunktet stiger så meget, at det bliver sammenligneligt med den interatomiske afstand i krystalgitteret og fører til ødelæggelse af gitteret og tab af den orienterende interatomiske orden. Faktisk er denne "smeltefaktor" grundlaget for de fleste modeller med den afgørende rolle for den frastødende del af parrets interaktionspotentiale og pålæggelsen af ​​betingelser for overgangen fra orden til "væskelignende" eller "gastæt" lidelse , beregnet ved Monte Carlo og molekylær dynamik metoder [6] [7] [8] . Det blev dog fundet [9] , at ved smeltepunktet er rod-middel-kvadratforskydningen af ​​atomer fra ligevægtstilstanden kun omkring 1/8 af den interatomiske afstand, hvilket udelukker Lindemann-modellen, det vil sige kollisionen af atomer som en "smeltefaktor". I dette tilfælde viser atomernes energi sig at være væsentligt lavere end den potentielle energi for forstøvning af krystalgitteret, dvs. stof forbliver i en kondenseret (bundet) tilstand.

Teoretiske undersøgelser af V. Andreev [10] [11] viste, at dynamikken ved smeltning af et krystallinsk legeme, som en fasetransformation af 1. slags, er bestemt (i modsætning til modellen for akkumulering af defekter og dislokationer og Lindemann-modellen ) ved "katastrofisk" (crash - [crash] ) konformationel transformation (inversion) af strukturen af ​​en gruppe af atomer under deres termiske vibrationer med amplituder mindre end de interatomiske afstande i gitteret, ledsaget af ødelæggelsen af ​​den interatomiske binding ved overvindelse den potentielle inversionsbarriere ved et fast temperaturpunkt med forbruget af en konstant energiværdi, lavere end gitterforstøvningsenergien og lig med den specifikke varmesmeltning. Denne mekanisme fører til en eksperimentelt bekræftet klyngestruktur af en bundet (kondenseret) flydende tilstand med et konstant (for en given temperatur) gennemsnitligt antal brydende og genoprette interatomiske intercluster- og intracluster-bindinger, som sikrer bevaring af volumen og bestemmer mobiliteten (fluiditet) ) og væskens kemiske aktivitet . Når temperaturen stiger, falder antallet af atomer i klynger på grund af en stigning i brudte bindinger. De resulterende frie atomer (molekyler) fordamper fra væskens overflade eller forbliver i intercluster-rummet som en opløst gas (damp). Ved kogepunktet går stoffet over i en monoatomisk (monomolekylær) gasformig (damp) tilstand.

Smeltning i todimensionelle systemer

I todimensionelle eller kvasi-todimensionelle systemer er krystallen et meget mere vaklende objekt end i det tredimensionelle tilfælde, nemlig at den todimensionelle krystal ikke har en langtrækkende positionsorden. Til sammenligning, i det endimensionelle tilfælde, kan en krystal ved en endelig temperatur slet ikke være stabil.

Som det viste sig, fører dette til det faktum, at smeltningen af ​​en todimensionel krystal sker i to trin. Først går krystallen over i den såkaldte hexatiske fase, hvor kortrækkende positionsrækkefølge går tabt, men orienteringsrækkefølgen bevares, og derefter går orienteringsrækkefølgen også tabt og kroppen bliver flydende.

Ikke-termisk smeltning

Ved ultrahurtig bestråling af kovalente materialer med femtosekund laserpulser kan der observeres såkaldt "ikke-termisk smeltning". Da laserimpulsens fotoner absorberes af det faste stofs elektroner , fører dette til en kortvarig to-temperaturtilstand, hvor materialets elektroniske delsystem kan have ultrahøje temperaturer, mens det atomare delsystem endnu ikke har nået at varm op. I dette tilfælde kan de elektroniske bindinger, der danner det interatomiske potentiale, der holder atomerne i deres ligevægtspositioner, ændres eller brydes fuldstændigt, hvilket fører til smeltning selv ved atomernes stuetemperatur [12] .

Noter

  1. ↑ S. T. Zhukov Kemi klasse 8-9, kapitel 1. Grundlæggende ideer og begreber om kemi . Dato for adgang: 18. januar 2010. Arkiveret fra originalen 9. maj 2007.
  2. ↑ Spredningen af ​​eksperimentelle data er tilsyneladende forbundet med grafit-karbin faseovergangen og forskellige opvarmningshastigheder under målinger. Klimovsky II, Markovets VV Indflydelse af grafit-karbinfaseovergang på emissiviteten af ​​grafitprøver, når de opvarmes til temperaturer på 3000 K og mere  // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2007. - Nr. 6 (50) . - S. 50-59 . Arkiveret fra originalen den 26. oktober 2015.
  3. ↑ Andreev V.D. Udvalgte problemer inden for teoretisk fysik. . - Kyiv: Outpost-Prim,. – 2012.
  4. ↑ Meyer K. Fysisk og kemisk krystallografi, M., "Metallography", 1972
  5. ↑ Lindemann FA // Phys.Z., 1910, v.11, s.609
  6. ↑ Wood WW, Jacobson JD Foreløbige resultater fra en genberegning af Monte Carlo-ligningen af ​​hårde sfærers tilstand // J. Chem. Phys. . - 1957. - Nr. 27 . - S. 1207 . - doi : 10.1063/1.1743956 .
  7. ↑ Alder BJ , Wainwright TE Phase Transition in Elastic Disks // Phys. Rev. . - 1962. - Nr. 127 . - S. 359 . - doi : 10.1103/PhysRev.127.359 .
  8. ↑ Hoover WG, Gray SG, Johnson KW Termodynamiske egenskaber for de flydende og faste faser for inverse effektpotentialer // J. Chem. Phys. . - 1971. - Nr. 55 . - S. 1128 . - doi : 10.1063/1.1676196 .
  9. ↑ Pines D. Elementære excitationer i faste stoffer. M., Mir, 1965.
  10. ↑ Andreev V.D. Crash (crash)-konformationel kinematik af det kovalente gitter af diamant under smeltning. // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - Nr. 3 . - S. 486-495 .
  11. ↑ Andreev V. D. "Smeltefaktor" i interatomiske interaktioner i et diamantgitter. // Kemisk fysik . - 2002. - Nr. 8, v.21 . - S. 35-40 .
  12. ↑ Medvedev, Nikita; Li, Zheng; Ziaja, Beata (2015). "Termisk og ikke-termisk smeltning af silicium under femtosekund røntgenbestråling". Fysisk gennemgang B. 91 : 054113. DOI : 10.1103/PhysRevB.91.054113 .

Links