Физика-химия фазовых переходов. Учебное пособие

К. К. Бахрунов

ФИЗИКА-ХИМИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

Учебное пособие

Ай Пи Эр Медиа Саратов • 2019

УДК 544

ББК 24.5 Б30

Автор:

Бахрунов К. К. — кандидат технических наук, доцент Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления

Рецензенты:

Сизов И. Г. — доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе и инновациям ВСГУТУ;

Дамдинов Б. Б. — доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики БГУ

Бахрунов, К. К.

Б30 Физика-химия фазовых переходов [Электронный ресурс] : учебное пособие / К. К. Бахрунов. — Электрон. дан. и прогр. (6 Мб). — Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2019. — 69 с.

ISBN 978-5-4486-0792-9

Учебное пособие подготовлено в соответствии с программой дисциплины «Физика-химия фазовых переходов» и курса «Физика разрушения и термодинамика металлов и сплавов». Для эффективного усвоения курса обязательны базовые знания по общей физике и химии в пределах вузовского уровня. Предлагаемый материал направлен на подготовку специалистов, которым предстоит решать проблемы в нехимических отраслях производства, базирующихся на знаниях химических законов.

Подготовлено с учетом требований Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.

Предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02, 22.04.02 «Металлургия». Может быть полезно студентам, обучающимся по смежным специальностям и направлениям подготовки, а также аспирантам и преподавателям.

Учебное электронное издание

© Бахрунов К. К., 2019 © ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2019

Редактор Н.Г. Шиндина

Технический редактор, компьютерная верстка Е.В. Якубович

Корректор И.О. Игнатьева Обложка С.С. Сизиумовой

Для создания электронного издания использовано:

Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,

разработанное на основе Adobe Air

Подписано к использованию 15.02.2019. Объем данных 6 Мб.

Издание представлено в электронно-библиотечных системах

IPR BOOKS (www.iprbookshop.ru), Библиокомплектатор (www.bibliocomplectator.ru)

Бесплатный звонок по России: 8-800-555-22-35

Тел.: 8 (8452) 24-77-97, 8 (8452) 24-77-96

Отдел продаж и внедрения ЭБС:

доб. 206, 213, 144, 145 E-mail: sales@iprmedia.ru

Отдел комплектования ЭБС:

доб. 224, 227, 208 E-mail: mail@iprbookshop.ru

По вопросам приобретения издания обращаться:

доб. 208, 201, 222, 224

E-mail: izdat@iprmedia.ru, author@iprmedia.ru

4

ВВЕДЕНИЕ

Качество подготовки специалистов определяется уровнем их образования в области фундаментальных наук: физики, химии, высшей математики [1, 2, 3, 4]. В настоящее время человек имеет дело с различными веществами, поэтому без знания свойств веществ, их строения, химической природы их частиц, механизмов их взаимодействия, различных способов и путей превращения одних веществ в другие невозможно успешно освоить материал специальных дисциплин, к которым относятся курсы «Физика-химия фазовых переходов» и «Физика разрушения и термодинамика металлов и сплавов».

С бурным развитием наноматериалов, нанотехнологий происходит интеграция наук, требующая применения физических методов исследования (теории упругости, механики сплошных сред, теории анизотропных оболочек

идр.) и математического аппарата в химии, что дало сближение ее с физикой

иматематикой. С другой стороны, отсутствие промежуточного звена между изолированными наночастицами и между свойствами объемных (массивных) кристаллических веществ долгое время не представлялось возможным из-за отсутствия промежуточного звена — компактного твердого тела с манометровыми зернами, — но с получением твердого тела манометрового диапазона такое стало возможным. Конечно, поведение и получение такого материала с зернами манометрового диапазона — большой шаг на пути к изучению таких наноматериалов. С другой стороны, представляет определенную трудность в изучении, так как классические законы физики и химии нарушаются. Конечно, это ни в коем случае не противоречит основным законам, принятым в химии или физике, а наоборот, дополняет и даже способствует открытию новых областей в науке и технике к таким областям физики можно отнести, например, неравновесную термодинамику, некоторые разделы квантовой физики и др.

Вчастности, специалисты с техническим образованием в своей практической деятельности сталкиваются с такими задачами, как производство стали, сплавов, чистых металлов и полупроводников, получение новых материалов, новых технологических процессов, создание замкнутых производственных циклов, безотходных технологий, теоретическое обоснование и разра-

ботка энерго- и ресурсосберегающих технологий (газоциркуляционные и ионноплазменные методы) и др.

Указанные проблемы решает химия, которая является наукой о веществах и их превращениях, сопровождающаяся изменением внутреннего строения вещества и электронной структуры взаимодействующих атомов, но не

5

занимающаяся составом и структурой ядра, так как это выходит за рамки предмета ее изучения, хотя здесь тоже имеет место превращение вещества. Однако это превращение касается не только изменения его электронной структуры, но и состава и структуры ядер химических элементов, составляющих вещество.

Контроль качества продукции является важным технологическим циклом химического и фазового состава. Борьба с коррозией материалов и изделий из них, новые методы обработки поверхностей требуют от специалиста глубокого понимания сущности химических процессов. Познание химической природы движения материи и ее механизмов предопределяет успех поиска путей их решения.

Указанные проблемы по силам решать всесторонне грамотным специалистам, способным наряду с другими задачами разбираться и самостоятельно ориентироваться в химических вопросах.

Предлагаемый материал направлен на подготовку специалистов, которым предстоит решать проблемы в нехимических отраслях производства, базирующихся на знаниях химических законов. Построение материала способствует самостоятельной работе студентов, где основное внимание уделено тем понятиям и закономерностям, которые отражают характер и составляют ядро химических понятий, необходимых для конкретной специальности.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие общепрофессиональные и профессиональные компетенции по соответствующим видам деятельности, а именно:

– готовность использовать фундаментальные общеинженерные знания

(ОПК-1);

– готовность сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ОПК-4);

– готовность выявлять объекты для улучшения в технике и технологии

(ПК-11).

Курс базируется на основе термодинамики раздела теоретической физики и представляет собой науку, изучающую взаимные превращения энергии друг в друга. Термодинамика состоит из общей термодинамики, или физической термодинамики, химической термодинамики и технической термодинамики.

Вобщей термодинамике изучаются процессы превращения энергии

втвердых, жидких и газообразных телах, протекание электрических и магнитных явлений, излучение различных тел. Она также устанавливает математическую зависимость между термодинамическими величинами [5].

6

Химическая термодинамика на основе общих законов термодинамики изучает тепловые, химические, физико-механические процессы, условие равновесия и влияние на равновесие внешних условий, другими словами, применяется к анализу систем с фазовыми и химическими превращениями.

Химическая термодинамика объединяет законы природы, управляющие химическими превращениями, в единую систему, построенную на основе законов физики, химии, и, используя математический подход, подобно сети, охватывает все ранее установленные частные закономерности для химических реакций.

В курсе рассматриваются основные понятия, методы и законы термодинамики, их применение к рассмотрению равновесий химических реакций, фазовых равновесий и электрохимическим явлениям. Подробно изучается использование термодинамических функций: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и энергия Гельмгольца для определения направления химических реакций, методы расчета количеств реагирующих веществ, получаемых в химических реакциях при достижении состояния равновесия, влияние температуры и давления на возможности управления химическими реакциями.

Объект изучения химической термодинамики заключается:

1)в установлении условий равновесия различных химических веществ

иразличных фаз вещества;

2)в выяснении возможности протекания химической реакции или фазового превращения при определенных условиях;

3)в определении энергетических эффектов (количеств теплоты и работы) химических реакций и фазовых превращений);

4)в разработке методов определения свойств веществ, необходимых для решения отмеченных задач.

Анализ физико-химических взаимодействий в сплавах является основой для понимания структурных и фазовых превращений, которые происходят в железоуглеродистых сплавах, композитах, описываемых на основе диаграмм состояния, например, железо-углерод (Fe-C). Студенты должны проанализировать условия протекания диффузионных процессов, например, эвтектическое и эвтектоидное (перлитное) превращение, связанных с выделением избыточных фаз из твердого раствора, а также бездиффузионное мартенситное превращение и охарактеризовать особенности формирующихся структурных фазовых превращений.

7

Изучающим термодинамику полезно иметь в виду то, что, несмотря на сравнительную простоту термодинамического аппарата, в этой науке было допущено немало ошибок, которых не избежали даже некоторые выдающиеся ученые. Это указывает на то, что применение аппарата термодинамики требует глубокого понимания физического смысла понятий и принципов, на которых этот аппарат строится [5].

Подробно зарождение термодинамики как универсальной науки описано в литературе [5]. Здесь стоит отметить некоторые особенности.

1.Аппарат термодинамики основан на представлении о веществе как

осплошной среде, при котором применяются макропараметры, характеризующие вещество как целое, такие как давление, температура и др. Термодинамика не рассматривает микросостояния вещества и характер движения микрочастиц. Применением микропараметров к анализу строения вещества занимается статистическая физика, поэтому термодинамика является независимой от новых открытий в области микрофизики, неприменимой к системам, для которых макропонятия: давление, температура — теряют смысл (пример — газ, находящийся под глубоким вакуумом, высокотемпературная плазма).

2.Аппарат термодинамики — это принцип существования определенных функций состояния и уравнений, связывающих их, что позволяет применить ее к любому анализу самых разнообразных явлений и веществ, а также равная по достоверности закону сохранения энергии. Закономерности, названные в процессе развития науки законами, — это лишь частные случаи универсальных принципов современной термодинамики.

3.Основой всех принципов и идей термодинамики являются два ее фундаментальных уравнения — основное уравнение состояния и основное уравнение процесса. Эти два уравнения вместе с аппаратом математики составляют аппарат современной термодинамики со стройной и логической структурой.

4.Для решения проблем нужны данные о свойствах вещества, отражающие связь между физическими величинами, характеризующими его состояние. Аппарат термодинамики позволяет находить многочисленные количественные зависимости между различными свойствами вещества, располагая при этом весьма ограниченными данными о них, предсказывать поведение вещества при самых различных условиях. Информация о свойствах вещества берется из уравнения состояния, являющегося их математическим выражением. Уравнения состояния конкретных веществ находят опытным путем. Ино-

8

гда они могут быть получены из аппарата статистической физики. Из этого следует, что достоверность результатов термодинамического анализа в отношении конкретного вещества и степени математической сложности этого анализа определяется достоверностью и формой уравнения состояния [5].

Весьма простое уравнение состояния описывает свойства идеального газа. Часто используют при решении тех или иных проблем уравнение состояния идеального газа, что заведомо недостаточно справедливо.

5. Первоначально термодинамика была создана как теория для расчетов тепловых двигателей. Поэтому обоснование и формулировки ряда положений связаны с особенностями функционирования теплового двигателя, хотя эти положения являются закономерностями общефизического характера.

Аппарат термодинамики является одним из наиболее отточенных инструментов научного анализа, который охватывает всю область человеческой деятельности. Изучение термодинамики, ее глубоких идей, строгой логической структуры, ее универсального аппарата исследования, овладение ее методом и математическими средствами оказывает большое влияние на мыслительный процесс студента и в значительный степени определяет в дальнейшем уровень научной культуры.

В настоящее время недостаточно давать материал студенту чисто механически, важно и необходимо «зажечь» студента, заинтересовать, выявить его талант или скрытые резервы, также создать условия и методы, средства для самореализации. Любое достижение в науке и искусстве — это созданное стечение обстоятельств, и очень важными составляющими этого союза являются удача, квалификация и талант.

Во многом это определяется преподаванием и талантом самого преподавателя, его методами и средствами преподавания. Как и откуда берутся те или иные термины, законы, понятия, как они были, в свою очередь, открыты, получены и др. Зачастую студент даже не может понять готовый материал, не то что объяснить. Конечно, это необходимо устранять на начальном этапе обучения при поступлении, а еще лучше начинать это делать со школы (профориентационная работа, кружки и т.д.), предоставлять наиболее полную информацию о будущей приобретаемой специальности и ее методах обучения, поднимая тем самым ее престижность.

И в заключении хотелось бы отметить важный критерий подготовки любой специальности, конечно, это критерий ее престижности, что, несомненно, должно быть связано с востребованностью на рынке труда и высокими заработными платами будущих выпускников.

9

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Основные понятия базируются на знании законов физики, которая основывается на экспериментально установленных фактах (законах, постулатах). Приступая к изучению явлений и процессов, имеющих место в природе, следует понять и объяснить эти законы природы, которыми определяются все физические явления. Будущему инженеру, бакалавру, магистру (далее — студент) необходимо ориентироваться в потоке научной и технической информации для обеспечения их возможности использования новых физических принципов в тех областях техники, на которых они специализируются.

Основная цель пособия — оказать помощь в усвоении навыков

иметодов их решения, в постановке задач, умении использовать математический аппарат и законы физики, химии в предметной области научных знаний.

Основными задачами курса являются:

1.Создание у студентов широкой теоретической (в фундаментальной области: молекулярная физика, равновесная и неравновесная термодинамика)

иприкладной области подготовки для решения задач в своей научной деятельности.

2.Усвоение основных физических явлений и законов классической

исовременной физики, методов физического исследования.

3.Выработка приемов и навыков решения конкретных задач из разных областей физики (в первую очередь молекулярной физики, равновесной термодинамики, физики-химии фазовых переходов в металлах и сплавах, термодинамики материалов).

4.Ознакомление студентов с современным научным оборудованием

ивыработка у них начальных навыков проведения самостоятельных экспериментальных методов исследования, изучения различных физических явлений, процессов, а также умения определить и проанализировать результаты вычислений и погрешности измерения.

5.Умение ставить задачи в предметной области исследования.

На начальном этапе следует уяснить, что существуют два качественно различных и взаимодополняющих метода исследования физических свойств макроскопических систем — статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Молекулярно-кинетическая теория оперирует большой совокупностью микрочастиц (атомов, молекул), отличных от свойств

10