Olvasztó

Az olvadás  az a folyamat, amikor egy test kristályos szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba kerül, vagyis egy anyag az egyik aggregált állapotból a másikba. Az olvadás az olvadáshő elnyelésével történik, és egy elsőrendű fázisátalakulás , amelyet a hőkapacitás hirtelen megváltozása kísér minden egyes anyag meghatározott hőmérsékleti átalakulási pontján - az olvadásponton .

Az olvadási képesség az anyag fizikai tulajdonságaira utal [1]

Normál nyomáson a volfrámnak van a legmagasabb olvadáspontja a fémek között (3422 ° C), az egyszerű anyagok közül  - a szén (különböző források szerint 3500 - 4500 ° C [2] ) és a tetszőleges anyagok között - a tantál-hafnium-karbid Ta 4 HfC 5 (3942 °C). Feltételezhetjük, hogy a hélium olvadáspontja a legalacsonyabb : normál nyomáson tetszőlegesen alacsony hőmérsékleten folyékony marad.

Sok normál nyomású anyagnak nincs folyékony fázisa. Melegítésükkor szublimáció útján azonnal gáz halmazállapotúvá válnak .

Olvadó keverékek és szilárd oldatok

Az ötvözetek általában nem rendelkeznek meghatározott olvadásponttal; olvadásuk folyamata véges hőmérséklet-tartományban megy végbe. A "hőmérséklet-relatív koncentráció" állapotdiagramokon a folyékony és a szilárd halmazállapot együttélésének véges tartománya van, amelyet a likvidusz és a szolidusz görbék korlátoznak . Hasonló helyzet áll elő sok szilárd megoldás esetén is .

Az amorf testek szintén nem rendelkeznek rögzített olvadásponttal ; fokozatosan folyékony állapotba mennek, a hőmérséklet emelkedésével lágyulnak.

Olvadási kinetika

Technikailag az anyag olvasztását úgy hajtják végre, hogy a mintán kívülre (külső melegítés, például termikus kemencében) vagy közvetlenül a teljes térfogatában hőenergiát szolgáltatnak (belső melegítés, például ellenállásos melegítés áram átvezetésével a mintán , vagy indukciós fűtés nagyfrekvenciás elektromágneses térben). Az olvasztási módszer nem befolyásolja a folyamat fő jellemzőit - az olvadás hőmérsékletét és látens hőjét, hanem meghatározza az olvadás külső mintáját, például egy kvázi-folyékony réteg megjelenését a minta felületén külső melegítés során. .

Úgy gondolják, hogy az olvadást a nagy hatótávolságú orientációs interatomikus rend elvesztése jellemzi a kristályban, a „folyadék-szerű” vagy „gáztömör” zavarba való átmenettel.

Az olvadás természete

Először is magyarázzuk el, hogy egy bizonyos hőmérsékleten a test miért szereti megszakítani az atomközi kötések egy részét, és miért szeretne rendezett állapotból (kristály) rendezetlen állapotba ( folyékony ) kerülni.

Amint a termodinamikából ismeretes , rögzített hőmérsékleten a test hajlamos minimalizálni a szabad energiát . Alacsony hőmérsékleten a második tag (a hőmérséklet és az entrópia szorzata ) jelentéktelen, és ennek eredményeként minden a közönséges energia minimalizálására irányul . A minimális energiaállapot kristályos szilárd anyag. A hőmérséklet emelkedésével a második tag egyre fontosabbá válik, és egy bizonyos hőmérsékleten kifizetődőbbnek bizonyul néhány kötés megszakítása. Ebben az esetben a közönséges energia enyhén növekszik, de az entrópia is nagymértékben nő, ami a szabad energia csökkenését eredményezi.

Olvadási dinamika

Kezdetben egy spekulatív, azaz nem kvantitatív ábrázolásban azt hitték, hogy a dinamikában az olvadás a következőképpen megy végbe. A testhőmérséklet emelkedésével molekulái hőrezgésének amplitúdója növekszik, és időről időre szerkezeti rácshibák jelennek meg atomi ugrások, diszlokációk növekedése és a kristályrács egyéb megsértése formájában [4] . Minden ilyen hiba, a diszlokációk megjelenése, mozgása bizonyos mennyiségű energiát igényel, mivel néhány interatomikus kötés megszakadásával jár. A születés és a hibák felhalmozódásának szakaszát preolvadási szakasznak nevezzük. Ezenkívül ebben a szakaszban a külső melegítés során általában egy kvázi-folyékony réteg jelenik meg a test felületén. Úgy gondolják, hogy egy bizonyos hőmérsékleten a hibák koncentrációja olyan magas lesz, hogy a mintában az orientációs rend elvesztéséhez , azaz megolvadáshoz vezet.

Tekintettel azonban arra, hogy a kristálynak a hibák kialakulása és a diszlokációk növekedése miatti hőpusztulási mechanizmusa, amely széles hőmérsékleti tartományban jelentkezik, nem vezet I. típusú fázisátalakuláshoz, azaz pontig egy anyag termodinamikai jellemzőinek megugrásához az egyes anyagokhoz rögzített meghatározott hőmérsékleten., majd Lindemann [5] olyan egyszerű elképzeléseket dolgozott ki az olvadási folyamat lefolyásáról, amelyek szerint az olvadásponton a részecskék rezgésének amplitúdója nő. annyira, hogy összehasonlíthatóvá válik a kristályrácsban lévő atomközi távolsággal, és a rács pusztulásához és az orientációs interatomikus rend elvesztéséhez vezet. Valójában ez az "olvadási tényező" az alapja a legtöbb modellnek, amelyben a párkölcsönhatási potenciál taszító részének a döntő szerepe, valamint a rendből a "folyadékszerű" vagy "gázsűrű" zavarba való átmenet feltételeinek előírása. , Monte Carlo és molekuladinamikai módszerekkel számított [6] [7] [8] . Megállapítást nyert azonban [9] , hogy az olvadásponton az atomok egyensúlyi állapotból való négyzetes elmozdulása az atomok közötti távolságnak csak körülbelül 1/8-a, ami kizárja a Lindemann-modellt, vagyis az atomok ütközését. atomok mint „olvadási tényező”. Ebben az esetben az atomok energiája lényegesen kisebbnek bizonyul, mint a kristályrács porlasztásának potenciális energiája, azaz. az anyag sűrített (kötött) állapotban marad.

V. Andreev [10] [11] elméleti tanulmányai kimutatták, hogy a kristályos test olvadásának dinamikája , mint 1. típusú fázistranszformáció, meghatározott (ellentétben a hibák és diszlokációk felhalmozódásának modelljével és a Lindemann modellel ) egy atomcsoport szerkezetének katasztrofális (crash - [crash] ) konformációs átalakulásával (inverziójával) a rácsban lévő atomközi távolságoknál kisebb amplitúdójú hőrezgéseik során, amelyet az atomközi kötés lebomlása kísér. a potenciálinverziós gát egy rögzített hőmérsékleti ponton állandó energiaértékű, a rácsporlasztási energiánál kisebb és a fajlagos olvadáshővel egyenlő energiafelhasználással. Ez a mechanizmus egy kötött (kondenzált) folyékony halmazállapotú, kísérletileg igazolt klaszterszerkezethez vezet, állandó (adott hőmérséklethez) átlagos számú feltörő és helyreállító klaszterközi és klaszteren belüli interatomi kötésekkel, amelyek biztosítják a térfogat megőrzését és meghatározzák a mobilitást (fluiditást). ) és a folyadék kémiai aktivitása . A hőmérséklet emelkedésével a halmazokban lévő atomok száma csökken a megszakadt kötések növekedése miatt. A keletkező szabad atomok (molekulák) elpárolognak a folyadék felszínéről, vagy oldott gázként (gőzként) a halmazközi térben maradnak. A forrásponton az anyag egyatomos (monomolekuláris) gáznemű (gőz) állapotba kerül.

Olvadás kétdimenziós rendszerekben

A kétdimenziós vagy kvázi-kétdimenziós rendszerekben a kristály sokkal ingatagabb tárgy, mint a háromdimenziós esetben, vagyis a kétdimenziós kristálynak nincs nagy hatótávolságú helyzeti rendje. Összehasonlításképpen: egydimenziós esetben egy véges hőmérsékletű kristály egyáltalán nem lehet stabil.

Mint kiderült, ez ahhoz a tényhez vezet, hogy egy kétdimenziós kristály olvadása két szakaszban történik. Először a kristály átmegy az úgynevezett hexatikus fázisba, amelyben a rövid hatótávolságú helyzeti rend elvész, de az orientációs rend megmarad, majd az orientációs rend is elveszik, és a test folyékony lesz.

Nem termikus olvadás

Kovalens anyagok femtoszekundumos lézerimpulzusokkal történő ultragyors besugárzása esetén úgynevezett "nem termikus olvadás" figyelhető meg. Mivel a lézerimpulzus fotonjait a szilárd test elektronjai abszorbeálják , ez egy rövid életű kéthőmérsékletű állapothoz vezet, amelyben az anyag elektronikus alrendszere ultramagas hőmérsékletű lehet, míg az atomi alrendszernek még nem volt ideje felmelegít. Ebben az esetben az atomok közötti potenciált alkotó elektronikus kötések, amelyek az atomokat egyensúlyi helyzetükben tartják, megváltozhatnak vagy teljesen megszakadhatnak, ami az atomok szobahőmérsékleten is megolvadásához vezethet [12] .

Jegyzetek

  1. ↑ S. T. Zsukov Kémia 8-9. évfolyam, 1. fejezet. Kémiai alapötletek és fogalmak . Hozzáférés dátuma: 2010. január 18. Az eredetiből archiválva : 2007. május 9..
  2. ↑ A kísérleti adatok szórása nyilvánvalóan a grafit-karabély fázisátalakulással és a mérések során fellépő különböző fűtési sebességekkel függ össze. Klimovsky II, Markovets VV . A grafit-karabély fázisátalakulásának hatása a grafitminták emissziós képességére, ha azokat 3000 K vagy annál magasabb hőmérsékletre hevítik  // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2007. - 6. szám (50) . - S. 50-59 . Archiválva az eredetiből 2015. október 26-án.
  3. ↑ Andreev V.D. Az elméleti fizika válogatott problémái. . - Kijev: Outpost-Prim,. — 2012.
  4. ↑ Meyer K. Fizikai és kémiai krisztallográfia, M., "Metallography", 1972
  5. ↑ Lindemann FA // Phys.Z., 1910, v.11, p.609
  6. ↑ Wood WW, Jacobson JD . A kemény gömbök Monte Carlo-i állapotegyenletének újraszámításának előzetes eredményei // J. Chem. Phys. . - 1957. - 27. sz . - S. 1207 . - doi : 10.1063/1.1743956 .
  7. ↑ Alder BJ , Wainwright TE Phase Transition in Elastic Disks // Phys. Fordulat. . - 1962. - 127. sz . - S. 359 . - doi : 10.1103/PhysRev.127.359 .
  8. ↑ Hoover WG, Gray SG, Johnson KW A folyékony és szilárd fázisok termodinamikai tulajdonságai inverz teljesítménypotenciálokhoz // J. Chem. Phys. . - 1971. - 55. sz . - S. 1128 . - doi : 10.1063/1.1676196 .
  9. ↑ Fenyők D. Elemi gerjesztések szilárd testekben. M., Mir, 1965.
  10. ↑ Andreev V.D. A gyémánt kovalens rácsának összeomlási (összeomlási) konformációs kinematikája olvadás közben. // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - 3. sz . - S. 486-495 .
  11. ↑ Andreev V. D. "Olvadási tényező" az interatomi kölcsönhatásokban gyémántrácsban. // Kémiai fizika . - 2002. - No. 8, v.21 . - S. 35-40 .
  12. ↑ Medvegyev, Nyikita; Li, Zheng; Ziaja, Beata (2015). „A szilícium termikus és nem termikus olvadása femtoszekundumos röntgensugárzás hatására”. Fizikai áttekintés B. 91 : 054113. DOI : 10.1103/PhysRevB.91.054113 .

Linkek