Термодинамические условия протекания процесса кристаллизации.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации слагается из двух одновременно идущих процессов: зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация ) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала Z. Энергетическое состояние вещества при равновесии характеризуется минимальным значением Z.

Z = Н – ТS .

С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается. (рис.11)

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии. т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур, ниже равновесной. Плавление, процесс обратный кристаллизации, происходит при перегреве выше равновесной температуры. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.

При кристаллизации выделяется теплота. Когда кристаллизуется чистый элемент, отвод теплоты, происходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой кристаллизации. Поэтому на кривой охлаждения, изображаемой в координатах «температура - время»процессу кристаллизации соответствует горизонтальный участок (рис.31).

Разница между равновесной (Т_s) и реальной (Т_п) температурной кристаллизации называется степенью переохлаждения (∆ Т). Степень переохлаждения увеличивается с ростом скорости охлаждения. Обычная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30º С; при больших скоростях охлаждения она может достичь сотен градусов. Степень перегрева при плавлении металлов обычно не велика (не превышает нескольких градусов).

Контрольные вопросы:

1.Что представляет собой степень переохлаждения

2.Что называется равновесной температурой кристаллизации

3.При каких условиях возможен переход из одного состояния в другое

4.Что означает минимум свободной энергии

5. При каких условиях возникает процесс плавление

Глоссарий:

Первичная кристаллизация-переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры

Центры кристаллизации (зародыши)-это устойчивые группировки атомов при переохлаждении жидкости, некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту

Степень переохлаждения (∆ Т) - разница между равновесной (Т_s) и реальной (Т_п) температурной кристаллизации

Равновесная температура кристаллизации - температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны.

Z = Н – ТS -энергетическое состояние вещества при равновесии

Вторичная кристаллизация- образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе

Блиц-тест

1. Процесс кристаллизации слагается из двух одновременно идущих процессов:

1. Образования и диффузии кристаллов

2. Образования и адсорбции кристаллов

3. зарождения и роста кристаллов

4. зарождения и восстановления кристаллов

2. разница между равновесной (Т_s) и реальной (Т_п) температурной кристаллизации это:

1. Степень перегрева

2. Степень переохлаждения

3. Степень пережога

4. Степень кристаллизации

3.Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе это:

1. Первичная кристаллизация

2. Вторичная кристаллизация

3. Перекристаллизация

4. Рекристаллизация

4.Минимальный размер способного к росту зародыша называется

1. новым размером зародыша

2. критическим размером зародыша

3. способным размером зародыша

4. полезным размером зародыша

5. Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое называется

1. Первичная кристаллизация

2. Вторичная кристаллизация

3. Перекристаллизация

4. Рекристаллизация

Основная литература

1.Лившиц Б.Г. Металлография М, Металлургия, 1990.

2.Вегман Е.Ф., Руфанов Ю.Т., Федорченко И.Н., «Кристаллография, минералогия и рентгенография» М, Металлургия, 1990г.

3.Миловский А.В. «Минералогия и петрография» М, Москва 1979г.

4.Торопов Н.А. , Булак Л.Н. «Кристаллография и минералогия» М, Москва 1972г.

5.Захаров А.М.Диаграммы состояний двойных и тройных систем.М, Металлургия ,1978г.

6.Ермолов В.А. Геология: Учебник .Часть 1.М.МГТУ.2004г

7.ЕрмоловВ.А.Геология,Учебное пособие.Часть5 «Кристаллография, минералогия и геология камнесамоцветного сырья».М.МГТУ.2007г.

8.ЕрмоловВ.А, ПоповаГ.В, МосейкинВ.В.и др.Учебник. «Месторождения полезных ископаемых»М.МГТУ.2007г.

9.ЕрмоловА,ПоповГ.Б,МосейкинВ.В. и др.; Под ред.В.А.Ермолова. Месторождения полезных ископаемых .М.:Изд.МГГУ, 2004год (электр.библ.)

Дополнительная литература

10.Емельянов Н.А. «Практика руководства по минералогии» М, Москва 1972г.

11.Юшко С.А. Руководство для лабораторного исследования руд. Методы лабор. исследования руд.

12. Смагулов Д.У. Металлография: Окулык/ Д.У. Смагулов. - Алматы: КазУТУ, 2007