Лекция №8 Химические реакции и физические превращения

Воздействие на обрабатываемую деталь концентрированными потоками энергии приводит к структурным превращениям в ее поверхностном слое (рис.8.1) и химическим реакциям в ванне расплава (рис.8.2).

Изучение физико-химических превращений складывается из анализа стехиометрических соотношений уравнения равновесия и описания кинетических закономерностей.

Стехиометрическое уравнение является кратким выражением материального баланса реакции:

, (8.1)

где - стехиометрические коэффициенты, для исходных веществ <0, для продуктов реакции >0, А_i – символы веществ участвующих в реакции.

Расчет физико-химического равновесия позволяет выявить возможность получения тех или иных веществ в требуемых количествах, а также оценить содержание в них примесей и побочных веществ. Существует несколько методов термодинамического анализа сложных систем. Простейшие основаны на решении системы уравнений, образованных выражениями для констант равновесия, совместно с уравнениями стехиометрического баланса (8.1). Для многокомпонентных гетерогенных систем, к которым в первую очередь относятся технологические системы, применяются методы основанные на использовании принципов максимума энтропии и минимума свободной энергии Гиббса.

Кинетика реакций и превращений описывается скоростью _r изменения массы реагентов М в единице объема V для гомогенных реакций

или на единицу поверхности S_r для гетерогенных процессов

.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

,

где n_i – порядок реакции по веществу А_i, (i=1, 2, …, m), k – константа скорости процесса, выражаемая через энергию активации Е уравнением Аррениуса:

здесь k₀ – предэкспоненциальный множитель, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Лекция №9 Уравнения баланса вещества и энергии

Для исследования структурных изменений и фазовых переходов в процессах физико-технической обработки на основании анализа движения потоков вещества и энергии, тепло- и массопереноса, электромагнитных, ионно-лучевых процессов, химических реакций и физических превращений, используются уравнения баланса.

; (9.1)

; (9.2)

; (9.3)

(9.4)

; (9.5)

где

; (9.6)

; (9.7)

(9.8)

здесь  - плотность обрабатываемого материала, - плотность импульса, - плотность внутренней энергии, - плотность энтропии, С_i - концентрация i-го компонента,  - текущее время, - тензор давления, К - число компонентов, - массовая сила действующих на i-тый компонент, - плотность теплового потока, - плотность диффузионного потока i-го компонента, - плотность потока энтропии,  - производство энтропии, R₀ - число протекающих реакций, _ir - стехиометрический коэффициент i-го компонента в r-ой реакции, _r - скорость r-ой реакции, М_i - молекулярная масса i-го компонента, W_i - химический потенциал i-го компонента, Т - абсолютная температура, - диссипативная часть тензора давления, описывающего вязкие силы.

Уравнения баланса, характеризующие cплошность материала (9.1), законы сохранения вещества (9.5), импульса (9.2) и энергии (9.3), а также второе начало термодинамики (9.4) в процессе интенсивной обработки, описывающие состояние материала с плотностью  (9.6), энтропией S (9.7) и ее производством  (9.8) определяют кинетику технологических процессов и устанавливают последовательность образования структур и фаз при увеличении мощности воздействий.

Сложность уравнений баланса и состояния, необходимость дополнительных начальных и граничных условий приводит к необходимости использования упрощенных моделей структуры технологических потоков.