Термодинаміка і теплові процеси зварювання

 

 

Частини твердого тіла (атомів, іонів, молекули) утворюють кристалічну гратку. У середині об’єму їх взаємодія врівноважується. На поверхні їх взаємодія не зрівноважена і поверхня твердого тіла прилягає до молекули речовини із газової фази. Явище зростання концентрації речовини на границі розподілу фаз називається – адсорбцією. Поглинаюча речовина називається – адсорбентом, а поглинута речовина – адсорбатом.

Розрізняють адсорбцію фізичну і хімічну. Фізичною називається адсорбція, яка не супроводжується в поверхневому шарі хімічними реакціями. Якщо в результаті адсорбції утворюються хімічні сполуки, то така адсорбція називається хемосорбцією.

Для того щоб молекула адсорбувалась, вона повинна ударитись об поверхню і потрапити на вільне місце. Внаслідок того, що число ударів пропорційне концентрації С у довкіллі, то і ймовірність їх потрапляння на незаняте місце пропорційна цій конструкції, тобто швидкість адсорбції  , тут:

 -постійна;

 -доля зайнятих місць на поверхні.

Молекула може десорбуватись, якщо її енергія буде достатньою, щоб відірватись від поверхні. Число таких молекул пропорційне загальному числу адсорбованих молекул і швидкість їх з поверхні  .

У момент рівноваги  

Якщо позначити кількість речовини, яка адсорбується на частині поверхні   через Г, то на всій поверхні буде адсорбовано  , звідки   Підставивши в   замість   його значення отримуємо рівняння ізотерми Ленгмюра.

З цього рівняння випливає, що при   адсорбція досягає насичення  . При   , тобто адсорбція описується рівнянням Генрі.

 

 

При достатньому збільшенні молекул між ними виникають сили зчеплення. Розрізняють між молекулярні сили когезії і адгезії. Когезією – називаються сили притягання між однаковими молекулами. Під роботою когезії розуміють роботу розриву однофазної системи, наприклад, стовпчика рідини з поперечним перерізом 1 см2 на дві частини. При цьому утворюється нова поверхня величиною 1 см2, а зміна вільної поверхні буде дорівнювати  . Величина енергії когезії рідин приблизно дорівнює теплоті випаровування, а твердих тіл – сублімації.

Сила притягання між різнорідними молекулами, які перебувають в різних фазах, називаються – адгезією. Робота адгезії характеризується роботою, яку необхідно виконати для відокремлення двох фаз з площею контакту 1 см2, при розділі фаз замість однієї границі і розділу між фазами виникали дві поверхні кожної фази. Різниця між сумою нових поверхневих енергій між фазною поверхневою енергією дорівнює роботі адгезії.

Розглянемо умови рівноваги рідини (рисунок 1. 9), яка стискається з твердим тілом і газом на границі розділу всіх трьох фаз: рідина Р, газ Г і тверде тіло Т.

Умови розтікання або нерозтікання енергетичними співвідношеннями в системі, тобто величиною між фазної енергії, а також співвідношеннями між адгезією і когезією.

  

 

В точці А тангенціально до поверхні натягу діють такі сили:

 - поверхневий натяг на границі рідини – газ;

 - поверхневий натяг на границі тверде тіло – рідині;

 - поверхневий натяг на границі тверде тіло – газ.

Сила  намагається розтягнути краплю вздовж границі твердого тіла. В протилежному напрямі діє сила  . Сила, яка діє на границі розділу газ – рідина, напрямлена по дотичній до поверхні краплі. Ця дотична утворює з поверхнею твердого тіла в точці зіткнення трьох фаз. Кут   – називається краєвим кутом, або кутом змочування. Умова рівноваги краплі в точці визначають рівнянням:

Це рівняння є математичним виразом закону Лапласа, який формується так: краєвий кут змочування або   залежить від молекулярної природи поверхні розділу і не залежить від розмірів краплі.

Якщо вільна поверхнева енергія на границі тверде тіло-газ більша н ж на границі тверде тіло-рідина, то тверде тіло буде змочуватись рідиною.

Умову змочування можна записати:

У цьому випадку   і краєвий кут гострий. При  ,  , тобто відбувається повне змочування.

Якщо на границі тверде тіло-рідина вільна поверхнева енергія більша, ніж на границі тверде тіло-газ, то рідина розділятися не буде, це можна виразити нерівністю:

При цьому  і краєвий кут тупий. Крапля не розділяється і змочує поверхню твердого тіла. Повна незмочуваність характеризується   і  .

 

 

Реакції відновлення і окислення металів відіграють важливу роль у технології зварювання металів. Вплив окислів на зварювальні процеси залежить від споріднення металу до кисню. Про спорідненість металу до кисню можна судити за величиною роботи яку необхідно затратити на руйнування окисла цього металу.

Загальне рівняння дисоціації металічних окислів таке:

Рівняння константи рівноваги цієї реакції визначається із тієї дисоціації:

У цьому рівнянні можна прийняти:

Парціальний тиск кисню, за якого встановлюється рівновага реакції називається пружністю дисоціації. Про зміни пружності дисоціації від температури можна судити за допомогою із рівняння:

При дисоціації переважної більшості окислу  , тому пружність дисоціації зростає при збільшенні температури.

Рівняння   дає можливість обчислити пружність дисоціації.

Для обчислення пружності дисоціації можна скористатись рівнянням:

Стійкість окисів металів для температур можна визначити як за термодинамічних потенціалів  , так