Тестова работа 1 Вариант 4
Опишете физическата същност и механизма на процеса на кристализация
Всяко вещество може да бъде в три агрегатни състояния: твърдо, течно, газообразно. Преход от едно състояние в друго е възможен, ако новото състояние при нови условия е по-стабилно и има по-малко енергийно снабдяване.
С промяна на външните условия, свободната енергия се променя съгласно сложен закон по различен начин за течното и кристалното състояние. Естеството на промяната в свободната енергия на течно и твърдо състояние с промяна на температурата е показано на фигура 1.
Фигура 1 - Промяна на свободната енергия в зависимост от температурата
В съответствие с тази схема, над температурата TS веществото трябва да е в течно състояние и под TS в твърдо състояние.
При температура, равна на TS, течната и твърдата фази имат еднаква енергия, металът и в двете състояния е в равновесие, така че двете фази могат да съществуват едновременно за безкрайно дълго време. Температура TS - равновесна или теоретична температура на кристализация.
За да започне процесът на кристализация, е необходимо процесът да е термодинамично благоприятен за системата и да бъде придружен от намаляване на свободната енергия на системата. Това е възможно, когато течността се охлади под температурата на TS. Температурата, при която практически започва кристализация, се нарича действителна температура на кристализация.
Охлаждането на течност под равновесната температура на кристализация се нарича преохлаждане, което се характеризира със степента на преохлаждане (ΔT):
ΔT = Ttheor-Tcr.
Степента на преохлаждане зависи от естеството на метала, от степента на неговото замърсяване (колкото по-чист е металът, толкова по-голяма е степента на преохлаждане), от скоростта на охлаждане (колкото по-висока е скоростта на охлаждане, толкова по-голяма е степента на хипотермия).
Когато всички кристални тела се нагрят, се наблюдава ясна граница на прехода от твърдо в течно състояние. Същата граница съществува при прехода от течно в твърдо състояние.
Кристализацията е процес на образуване на участъци от кристалната решетка в течната фаза и растеж на кристали от образуваните центрове.
Преходът на метал от течност в кристално състояние може да бъде изобразен чрез криви в координатите време - температура. Кривата на охлаждане от чист метал е показана на фигура 2.
Фигура 2 - Крива на охлаждане от чист метал
Ttheor - теоретична температура на кристализация;
Tcr - действителна температура на кристализация.
Процес на кристализация на чист метал:
Металът в течно състояние се охлажда до точка 1, процесът се придружава от постепенно намаляване на температурата. В раздел 1 - 2 протича процес на кристализация, придружен от отделяне на топлина, която се нарича латентна топлина на кристализация. Той компенсира разсейването на топлината в пространството и следователно температурата остава постоянна. След края на кристализацията в точка 2 температурата отново започва да намалява, металът се охлажда в твърдо състояние.
Механизъм на кристализация на метали.
Със съответно понижаване на температурата в течния метал започват да се образуват кристали - центрове за кристализация или ядра. За да започне техният растеж, е необходимо намаляване на свободната енергия на метала, в противен случай ядрото се разтваря.
Механизмът на кристализация е показан на фигура 3.
