Skip to main content

Termodynamika kovů a slitin


Termodynamika kovů a slitin
Předmětem termodynamického studia je soustava.
Soustavu může tvořit jedna nebo několik fyz. a chem. stejnorodých (homogenních) látek – fází. Fáze se zúčastňují reakcí v soustavě a mohou při nich vznikat nebo zanikat.
Soustava tvořená jednou fází – stejnorodá (homogenní)
                  více fází – nestejnorodá (heterogenní)
Složky(komponenty) – část soustavy, která zahrnuje všechny atomy(molekuly) jednoho druhu, sama se však nemění
Počet složek v soustavě-      jednosložková soustava
-        dvojsložková soustava (binární)
-        třísložková (ternární)
-        vícesložková (polykomponentní)
např. soustava voda – led – vodní pára – 3 fáze o jedné složce
         čisté železo                                 jedna složka
         slitina Fe – Ni                             dvojsložková soustava

Termodynamický stav soustavy – je dán stavovými veličinami (chem. slož., teplota, tlak, objem, hmota)
Rovnováha soustavy – neprobíhá žádný děj spojený s hmotnou nebo energ. přeměnou(soustava se sama od sebe libovolně nemění)
Nerovnovážný stav – ze stavu rovnovážného může přejít buď samovolně nebo při získání dostatečného množství energie z okolí.

Stavy ve, kterých se může soustava vyskytovat.
Stabilní – stav rovnovážný – tzn. stabilní rovnováha
Metastabilní – metastabilní nerovnovážný stav je oddělen od rovnovážného energetickou bariérou
Nestabilní – nestabilní nerovnovážný stav soustava samovolně opouští
                          
Rovnovážné diagramy. Pákové pravidlo.
Gibbsův zákon fází.


Gibbsův zákon fází:

-          udává počet stupňů volnosti, což je počet nezávislých změn, které jsou soustavě povolení aniž by se změnil počet fází.
-          Informuje jen o počtu fází v soustavě, neříká ovšem nic o jejich množství, složení a rozdělení.

V1 = K + 2 – f
V -   počet stupňů volnosti; je definován jako počet nezávislých změn, které jsou soustavě povoleny, aniž se změní počet existujících fází (teplota, tlak         a složení fází).
f   -   počet fází
K -   počet složek (nejmenší počet nezávislých chemických prvků, z nichž je možné celou soustavu složit).
2  -   2 proměnné, které můžou do systému vstoupit (teplota, tlak, chemické složení)

U tuhých a kapalných kovových soustav neuvažujeme obvykle vliv tlaku jako proměnné veličiny. Fázové pravidlo má potom tvar:

                    V2 = K + 1 – f       (nebereme v úvahu tlak, tlak = konstantě)

Pro čistý kov lze z rovnice odvodit      V = 2 – f            při jedné fázi lze měnit jednu proměnnou veličinu, např. teplotu, aniž se počet fází změní.
Jsou-li při k = 1 přítomny dvě fáze, jako je tomu při krystalizaci čistého kovu (tavenina a krystaly), nemá soustava žádny stupeň volnosti – je invariantní. Krystalizace probíhá při konstantní teplotě – teplotě tuhnutí.
Pro dvě složky má fázové pravidlo tvar         V = 3 – f            Při jedné fázi (např. binární slitina v kapalném stavu) lze nezávisle měnit současně dvě proměnné veličiny (teplotu a složení), aniž dojde ke změně počtu fází. Jsou-li přítomny dvě fáze (např. krystaly a tavenina), lze měnit nezávisle pouze jednu proměnnou (např. teplotu nebo složení).
Při třech fázích (tavenina a dva druhy krystalů) nemá soustava žádny stupeň volnosti. Zmíněné tři fáze mohou vedle sebe existovat jen při určité teplotě a určitém složení. Změna teploty vede nezbytně ke změně počtu fází.




Krystalizace kovů a slitin
Ochlazováním taveniny dochází ke krystalizaci kovů do pravidelných krystalických mřížek. Látky vyskytující se v přírodě rozdělujeme dle skupenství na plynné, kapalné a tuhé. Při krystalizaci nás zajímá fáze tuhá a kapalná.

U kapalin jsou částice ve stálém styku  a přitažlivými silami jsou udržovány ve stejných vzdálenostech. Rozložení je neuspořádané – nezaujímají stálé polohy. Vlastnosti jsou izotropní – ve všech směrech stejné.
Tavenina vzniká zahříváním pevných látek a má zpočátku značné vnitřní tření, které je úměrné viskozitě. S rostoucí teplotou se tření snižuje, viskozita klesá a látka je tekutější.
V tuhých látkách mají molekuly (atomy, ionty) vyhrazeny jisté rovnovážné polohy z nichž se nemohou za normálních podmínek rovnováhy vzdálit.(bez změn vnějších podmínek)
Vychýlením částice z rovnovážné polohy vzniknou síly, které mají svůj původ v sousedních částicích a které nutí tuto částici, aby se vrátila do své původní polohy.
          Pohybová energie se vyrovnává – teplejší částice tělesa s vyšší energií se ochlazují a studenější přijímají – ohřívají. Výměna probíhá až do ustáleného stavu, přičemž má těleso stejnou teplotu.
Způsob vedení tepla v pevných látkách.
Pevná látka - při ohřevu se zvyšuje rozkmit částic, vzájemné nárazy nabývají na prudkosti, takže se mohou dostat ze svých rovnovážných poloh. Zvýšením teploty se zvyšuje také kinetická energie částic a stálost jejich rovnovážných poloh se zmenšuje. Vliv přitažlivých sil se zmenšuje a doba po kterou se mohou pohybovat se zvětšuje. Po dosažení tavící teploty se mění tuhá látka v taveninu – opak krystalizace.
Roztavený čistý kov – soustava tvořená jednou fází – taveninou
          Soustava má dle fázového zákona 1 stupeň volnosti. Za teploty tuhnutí, kdy je soustava tvořena po určitou dobu dvěma fázemi (tavenina a krystaly čistého kovu) nemá soustava žádný stupeň volnosti. Přeměna taveniny v tuhou fázi je doprovázena uvolňováním skupenského tepla tuhnutí.


Některé kovy Fe, Co, Mn, Sn, Ti apod. mění při změnách teploty  svou strukturu (krystalovou mřížku) a tím i vlastnosti – (tzv. polymorfie). Přeměna jedné kryst. mřižky v druhou se nazývá alotropická přeměna nebo překrystalizace.

Fáze v kovových soustavách
          Nejjednodušší kovová soustava – čistý kov (sestává z krystalů, jejichž uzlové body mřížky jsou pouze atomy jednoho druhu)
          Častěji se setkáváme s kovovými soustavami složitějšími – slitinami kovů nebo kovů a nekovů.
Jejich strukturu může tvořit – jedna fáze= jeden druh krystalů
-        více fází = několik druhů krystalů s rozdílnou vnitřní stavbou
Charakter krystalové struktury fází ovlivňují tři faktory
      velikost atomů
      elektronová koncentrace (počet valenčních el. Přít. v mřížce na 1 atomu)
      vazebné síly, které působí mezi jednot. atomy
Převládá-li jeden faktor vzniká krystalová struktura jednoduchého typu. Při vlivu všech faktorů vzniká složitá struktura.


Fáze vyskytující se ve slitinách
-        tuhé roztoky (se strukturou základního kovu)
-        intermediární fáze (s vlastní strukturou)
Tuhé roztoky – krystal v binární slitině, který obsahuje atomy obou složek. (atomy  základního kovu a přísady) Dle uložení atomů přísady v mřížce základního kovu, dělíme tuhé roztoky
Substituční – atomy přísady v uzlových bodech nahrazují atomy základního kovu, obsazení uzlových bodů atomy přísady se děje zcela nahodile.Při zvyšování množství přísady ve slitině mohou být všechny uzlové body nahrazeny atomy přísady
      neomezená rozpustnost – podmínka,stejný typ krystalové mřížky složek (Cu – Ni, Ag – Pt, Ag – Au, Co – Ni)
      omezená rozpustnost – omezený počet uzlových bodů je nahrazeno atomy přísady – častěji
Intersticiální (adiční) tuhé roztoky – atomy přísady jsou uloženy ve volných prostorách mezi atomy základního kovu.Úplný počet atomů základního kovu zůstává zachován a atomy přísady zvyšují počet atomů v mřížce. Atomy přísady musí být dostatečně malé. Rozpustnost přísady je ve srovnání se substitučním tuhým roztokem silně omezená. Vznik intersticiálního tuhého roztoku a max. koncentrace přísady (rozsah rozpustnosti) v něm závisí :
-Poměr velikosti základního atomu a přísady – atomy přísady musí být co nejmenší ( poměr poloměru atomu přísady k poloměru základního kovu) nebyl větší než 0,59 tzn.(max. 59% velikosti poloměru atomu základního kovu) Přísady, které mají dostatečně malé atomy, jež se mohou umístit v dutinách mřížky kovů, jsou:vodík, uhlík, bor, kyslík, dusík. Technicky nejdůležitější intersticiální tuhé roztoky tvoří uhlík se železem; poměr velikostí jejich atomů (0,63) je nad uvedenou hranicí, proto je rozpustnost uhlíku v železe poměrně malá.
-Krystalová mřížka základního kovu musí mít volné prostory mezi atomy vhodně utvářeny. Rozpustnost bude větší, jestliže volné prostory nebudou rozděleny na větší počet malých objemů a bude-li tvar těchto volných prostorů lze posoudit např. na základě srovnání mřížky krychlové plošně a prostorově středěné. Mřížka krychlová prostorově středěná má ve srovnání s mřížkou plošně středěnou sice větší počet intersticiálních dutin, avšak menší velikosti, proto rozpustnost intersticiální přísady je v této mřížce nepatrná.
Intermediární fáze – v binárních či vícesložkových soustavách se setkáváme s fázemi, které mají vlastní krystalovou strukturu (mřížku) odlišnou od struktury jednotlivých složek; proto intermediární
          - valenční sloučeniny – vznik chemického spojení dvou atomů ve valenční sféře(krystalová struktura tvořena pravidelně rozmístěnými kladnými a zápornými ionty – vázány iontovou vazbou.Sloučeniny pevné s poměrně vysokou teplotou tání, veliký poměrný elektrický odpor. Tvrdé a pro nemožnost posunu iontů značně křehké. (MgSi, Mg2Pb, SnTe, BeCu, ZnS)
          - elektronové sloučeniny – u těchto fází převládá kovová vazba a mohou existovat v poměrně širokém rozmezí teplot. Vyznačují se určitým poměrem počtu valenčních elektronů k počtu atomů, tj.určitou elektronovou koncentrací (počet valenčních elektronů připadajících ve strukturní mřížce na 1 atom). Elektronové sloučeniny se vyskytují v mnoha kovových soustavách. (Cu – Ni, Cu – Sn, Cu – Al, Cu – Si, Ag – Al, Ag – Cd, Ag – Zn, Au – Al) Významnou charakteristikou elektronových sloučenin je určité koncentrační rozmezí jejich existence.
          - intersticiální sloučeniny – pro vytvoření vazby je rozhodující velikostní faktor.Tyto intermediální fáze proto vznikají mezi přechodnými kovy a některými nekovy (C, V, B, H), jež mají dostatečně malé atomy, aby se mohly umístit  v dutinách strukturní mřížky kovu. Nazývají se karbidy, nitridy, bority, hybridy. Na rozdíl od intersticiálního tuhého roztoku je krystalová struktura intersticiální sloučeniny odlišná od základního kovu a atomy přísady jsou v ní rozmístěny pravidelně.Sloučeniny mají zpravidla vysokou teplotu tání, vysokou tvrdost a podle podílu kovové vazby více nebo méně výrazné kovové vlastnosti.

Rovnovážné stavy binárních a ternárních soustav
          V technické praxi používáme slitiny vícesložkové, kde vedle základního kovu bývá několik dalších přísad (kovů nebo nekovů). Slitiny mají větší technický význam především jejich lepšími mechanickými a technologickými vlastnostmi. Studiem rovnovážných stavů těchto soustav s více složkami je žádoucí, neboť umožňuje stanovit např. vztahy mezi fyzik., mechan., nebo jinými vlastnostmi a rovnovážnými strukturami těchto soustav.


Rovnovážné diagramy

q  Podávají kvalitativní i kvantitativní popis fází, které jsou v rovnováze v kovových soustavách o dvou a více složkách v závislosti na teplotě.
q  Pro sestrojování rovnovážných diagramů je nutno zjistit teploty, při nichž dochází k přeměnám fází, ať již je to přechod z kapalného do tuhého stavu nebo přeměny probíhající v tuhém stavu.

Podle počtu složek:
1)          Jednosložkové soustavy – pro čistý kov bez přísad.
2)          Binární – dvousložkové.
3)          Třísložkové


Ad 1)                 Jednosložkové soustavy

*   Mohou se vyskytovat tři fáze:    plynná – G
                                                            kapalná – L
                                                            tuhá – S
* Při jedné fázi má soustava dva stupně volnosti, jsou-li v rovnováze dvě fáze, zbývá jeden stupeň volnosti a při třech fázích je soustava invariantní a může existovat pouze při jedné hodnotě teploty a tlaku. Tato hodnota je označována jako trojný bod.



Obr.: Diagram teplota – tlak pro čistou měď.

V jednosložkové soustavě mohou existovat tyto dvoufázové rovnováhy:
*  tuhá – kapalná fáze          (tání nebo tuhnutí),
*  tuhá – plynná fáze            (sublimace, kondenzace) a
*  tuhá – plynná fáze            (vypařování, kondenzace).
Mohou existovat ještě další typy rovnováhy, a to tuhá fáze – tuhá fáze, má li tuhá fáze dvě nebo více modifikací v tuhém stavu (např. železo).













Ad 2)                 Dvousložkové soustavy

Binární systémy:
·       s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu,
·       s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu,
·       s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu.

I.      Diagramy s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu

-      dokonalá mísitelnost v kapalném i tuhém stavu

                           


Obr.: Rovnovážný diagram binárních slitin dokonale mísitelných v tuhém i kapalném stavu – soustava Cu - Ni. 

-Horní křivka – LIKVIDUS – udává teploty počátku krystalizace binárních slitin a zároveň i složení kapalné fáze, která je v rovnováze s vyloučenými krystaly.
-Spodní křivka – SOLIDUS – udává složení vznikající tuhé fáze.
-Nad křivkou likvidu je termodynamicky stabilní fází tavenina a soustava má dva stupně volnosti.
-Mezi likvidem a solidem existují vedle sebe dvě fáze – tavenina a krystaly tuhého roztoku a soustava má jeden stupeň volnosti.
-Pod čárou solidu je jediná fáze – tuhý roztok, soustava má opět dva stupně volnosti.

M   libovolná slitina o koncentraci c0 -  krystalizace.
t1    dosažená teplota dána čárou likvidu – začnou se vylučovat první krystaly, složení taveniny odpovídá koncentraci c1
t2    pokles teploty (ochlazování) - vylučování dalších krystalů jejichž složení je c3, složení taveniny je c2
t3    ukončená krystalizace a slitina má za předpokladů rovnovážného ochlazování výchozí složení tuhého roztoku

Z toho vyplývá:
-při krystalizaci se plynule mění jak složení krystalů (od c1 do c0), tak i složení taveniny (od c0 do c4).
-rychlé ochlazování – nerovnovážné – značné odchylky koncentrací
-v praxi dojde k rovnovážné krystalizací jen v málo případech – rovnovážní čára solidu leží níže

Pákové pravidlo:
-udává kolik je v daném kovu taveniny a tuhého roztoku (množství vyloučených krystalů a zbylé taveniny v teplotním intervalu mezi likvidem a solidem).

                                     


kde: mL – hmotnost taveniny
        c2 -   tavenina – koncentrace
        mS – krystaly tuhého roztoku – hmotnost
        c3 -   krystaly tuhého roztoku – koncentrace

II.    Diagramy s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu

-      Úplná nerozpustnost v tuhém stavu je u binárních slitin poměrně vzácná.
-      Ideální soustava s úplnou nerozpustností v tuhém stavu se vyznačuje tím, že:
a)    struktura je v tuhém stavu tvořena směsí krystalů čistých složek,
b)    přísada druhé složky snižuje teplotu tání základní složky,
c)    obě křivky likvidu se protínají v eutektickém bodu E představujícím mechanickou směs krystalů čistých složek,
d)    eutektikála prochází celou koncentrační oblasti od jedné čisté složky k druhé a tvoří čáru solidu.



Obr.: Rovnovážný diagram binárních slitin s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu – soustava Bi - Cd. 

Při krystalizaci jakékoli slitiny vznikají krystaly jedné čisté složky (A nebo B podle koncentrace). Složení taveniny se mění podle čar likvidu AE a BE. Slitina v tuhém stavu obsahuje v rozmezí koncentrace A – E krystaly čisté složky A a eutektikum, v rozmezí E – B krystaly čisté složky B a eutektikum.

III.     Diagramy s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu

-      obě složky jsou navzájem v tuhém stavu do určité míry rozpustné



Obr.: Rovnovážný diagram binárních slitin s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu – soustava Cu - Ag.
 
A, B – čisté složky
Teploty tuhnutí A, B jsou přísadou druhé složky snižovány, takže křivky likvidu mají klesající tendenci. Obě větve likvidu se protínají v bodě E, který představuje slitinu s nejnižší teplotou tání tE – eutektická teplota.
tE     při ní jsou v rovnováze tři fáze: krystaly α, β a kapalná fáze – soustava je invariantní.
-        snížením tE musí zmizet kapalná fáze – proběhne krystalizace (vznikají krystaly tuhého roztoku α a β jako mechanická směs - eutektikum)
-        vzájemná rozpustnost obou složek je největší. Ochlazováním rozpustnost klesá. Tuhý roztok o koncentraci cC nebo cD se proto při ochlazování pod teplotu danou čárou rozpustnosti v tuhém stavu stává přesyceným (čáry CA a DB). Při pomalém ochlazování se z něho segregací vylučuje fáze bohatá na jednu složku (u nás je to tuhý roztok α)       

M   libovolná slitina -  krystalizace.
t1    vznik krystalů tuhého roztoku α o složení c1
t2    pokles teploty (ochlazování)
tE   v rovnováze jsou krystaly α a tavenina. Soustava je invariantní a při dalším ochlazování krystalizuje eutekticky.

Vzniká směs krystalů α a β – eutektikum může mít strukturu lamelární (destičky), nebo tvar tyčinky, zrna či jehlic.



Obr.: Schéma struktur eutektik a) lamelární, b) tyčinkovité, c) zrnité, globulární, d) jehlicovité.

-   rychlé ochlazování – nerovnovážná krystalizace (koncentrace dané čarami solidu AC a BD) – čárkovaná čára c1c.
 
Ad 3)                 Třísložkové soustavy

Grafické znázornění – ternární diagramy – jdou do prostoru.


Comments

Popular posts from this blog

SUV Bugatti Spartakus

Když Lamborghini debutoval  s jejich SUV Lamborghini Urus, bylo to pro mnohé velké překvapení. Nikdy za mého života jsem si nemyslel, že by Lamborghini chtěl jít cestou SUV. Koncept SUV Bugatti Spartacus zobrazuje možnost, jak by mohlo vypadat SUV od Bugatti.

Spartakus je prudký koncept SUV, který míří na stejnou skupinu zákazníků jako Urus. Urus vypadá jako Lamborghini, ale nevypadá stejně jako Aventador nebo Huracan ... Spartacus používá stejnou filozofii. Má v sobě každý kus DNA Bugatti.


Spartacus ve své kombinaci modré a černé barvy nosí svou identitu Bugatti. Auto má na přední straně kultovní podkovovou mřížku. Vůz je dodáván s pěkně objemným tělem, ale jeho agresivní světlomety a zadní světlomety přispívají k nezapomenutelnému vzhledu.




Další zajímavý detail na Bugatti Spartakus je skutečnost, že i když detail podkovy chladiče zůstává v automobilu, za ním leží jen prodloužení nárazníku z uhlíkových vláken automobilu, což naznačuje, že toto je pro Bugatti nejen první auto v kategorii…

Zařízení pro dopravu a dávkování kapalin (samospád, monžík, čerpadla – druhy a charakteristiky)

Doprava kapalin samospádem
tuto metodu je možné využít pokud je výroba členěna vertikálně a tím je možné dopravovat kapalinu z vrchního bodu po spodní výtoková rychlost je závislá na výšce hladiny a odporech při průtokupokud není zajištěna konstantní výška hladiny, tak bude kolísat množství vytékané kapalinyjednoduché řešeníDoprava kapalin přetlačováním
používané v praxijednoduchéspolehlivékapalina se z tlakové nádoby vytlačuje stlačeným vzduchem, který je přiváděn nad hladinu


Doprava kapalin čerpadly
nejvíce rozšířenálibovolný směr transportudoprava na velké vzdálenostikonstantní průtokpřesné dávkování

Druhy čerpadel:


Objemová čerpadla (hydrostatické)
dopravují kapalinu nuceným vyprazdňováním daného objemupracovní pohyb je pohyb vratný nebo rotačnípráci při malých rychlostech
Pístová čerpadla
Membránová čerpadla
Rotační čerpadla
Zubová čerpadla
Lamelová čerpadla
Lopatková čerpadla

Jednotlivé čerpadla budou rozvedena v pozdějších článcích.

Aerial hamakový stan znamená nový komfort při přespávání v přírodě

AERIAL A1 je spojením nejlepších aspektů tří samostatných produktů. Kombinuje bezpečnost stanu, pohodlí a bezstarostnou povahu houpací sítě a napjatost / pružnost slacklines. AERIAL A1 je navržený průmyslovými designéry se skutečnou vášní pro venkovní prostředí, doslova přidává novou dimenzi kempování. Tento stan se připoutává ke stromům (nebo dokonce autům), takže váš zážitek z kempování můžete zažít kdekoli. AERIAL A1 nabízí pocit, že spíte v mracích. Struktura stanu vyžaduje, abyste natáhli základnu tak, aby byla prakticky plochá (na rozdíl od houpací sítě). AERIAL A1 lze snadno využít při cestování do skal, do přírody nebo dokonce na vodu. AERIAL A1 lze docela snadno zavěsit nad zemí. A naopak, pokud jste na otevřené louce, na které nemáte žádnou možnost, kde AERIAL yavěsit, můžete jej postavit na pevnou zem jako každý jiný stan.


Stan přichází s dostatkem prostoru pro jednu osobu. Zavěšení stanu mezi stromy je patrně stejně snadné jako jeho montáž na suchou půdu. Stan je dodáván s…