Часть I. Элементы кристаллографии лекция №1. Фазовое равновесие.

Большое значение для нашего курса имеет понятие равновесия. Нас в первую очередь будут интересовать условия равновесия в термодинамических системах.

Система-это мысленно выделенная из среды совокупность материальных объектов.

чсистема в которой протекают процессы массо- или тепло- обмена между составляющими её объектами называется термодинамикой. Система имеет точные пространственные границы. Эти границы могут быть вполне реальными, а могут мысленными.

Состав системы с физической и химической точки зрения удобно выражать отношением числа молей каждого вещества к общему числу молей всех составляющий систему веществ. различают системы изолированные(никак не взаимодействующие с окружающей средой), закрытые(не обменивающиеся с окружающей средой веществом, но обмен энергией возможен) и открытые(обмениваются с окружающей средой веществом-атомами или молекулами).

Состояние системы может быть определено совокупностью его свойств. Эти свойства характеризующей величины называемые термодинамическими параметрами. Часто в качестве таковых выбирают температуру, давление и объем. Если система находится в покое, эти параметры характеризуют её однозначно. Естественно для покоящейся системы они не меняются с течением времени. Именно о таких системах и говорят что они находятся в термодинамическом равновесии. Выведенная их равновесия система через некоторый промежуток времени(время релаксации) вновь приходит в состояние равновесия. Говорят что у них происходит термодинамический процесс. Любые изменения хотя бы одного из параметров характеризующего данную систему, обуславливают течение термодинамического процесса.

Термодинамические параметры могут быть экстенсивные (зависеть от массы, рнапример, внутренняя энергия системы) и интенсивными (температура), не зависящими от массы.

Однако для нас существенным является не только сам факт протекание термодинамического процесса, но и направление, в котором он протекает. Для определения направления протекания процесса недостаточно p, V, T. Необходимо использовать и другие термодинамические параметры. Это может быть U, H, F и G. Чаще используют G-свободную энергию Гиббса.

U- представляет собой кинетическую и потенциальную энергию составляющие вещество атомов или молекул(для нас конд. тел) Определить абсолютное значение невозможно поэтому определяют изменение U.

F=U-TS

G=U-TS +pV=H-TS

H=U+pV

Существенно что все самопроизвольно протекающие в изолированных системах процессы приводят к уменьшению U,H,F,G. Следовательно для конкретных условий в составляющих равновесие U,H,F,G имеют минимально возможное значение.

Все эти величины, как и U, определить нельзя. можно определить только ∆H, ∆F, ∆G.

Однако всеми этими параметрами удобно пользоваться для оценки состояния сравнительно простых систем(например чистое вещество- кусок металла и т.д., состав которых не меняется) или для общих, теоретических рассуждений. Если же система сложная(например сплав) то для характеристики процессов которые могут в ней протекать необходимо учитывать возможное изменение её состава. для этого используется химический потенциал. Математически химический потенциал выражается(чаще всего) как мера изменения свободной энергии системы при изменении концентрации одного из компонентов и прочих неизменных условиях

M_i=(∂G/∂n_i)p₁T₁n_j где n_i концентрация компонента которая меняется

Можно показать, что химический потенциал выражается также и через H, F, U. понятие химического потенциала в термодинамике подобно понятию температура в определении(см. на обороте) термического равновесия или давлению в определении механического равновесия таким образом химический потенциал при перераспределении масс компонентов играет ту же роль, что давление при изменении объема или температура в процессе теплообмена. Поэтому можно говорить о химическом потенциале компонентов в каждой точке системы точно также, как говорят о его концентрации .

Вывод: движущими силами, вызывающими протекание химических а также и физических процессов (например, диффузии) в изолированных системах является разность химических потенциалов.

Основы теории строения материалов - это дисциплина, которая включает в себя целый ряд очень серьёзных дисциплин, в большей или менее связанных с физикой и химией . Некоторые из них: физическая химия, металлография, кристаллография, рентгенография, коллоидная химия. В общей сложности это большой курс, требующий для его полного изложения примерно 200 часов. Поэтому мы(у нас их всего 32) будем изучать только часть этого большого курса, в основном 2 раздела: кристаллографию, металлографию.

1)Элементы кристаллографии. Кристаллография исследует закономерности внутреннего строения кристаллов. Это невозможно без ренгенографии. Ренгенография исследует структуру кристаллов, анализируя дифракцию ренгеновских лучей от кристалла(дифракцией называется проникновение волны в область геометрической тени).

Кристаллическим называют вещество, чьи частицы закономерно и периодически повторяются в пространстве. Кристаллом, согласно одному из определений, называется однородное анизотропное тело, способное самоограняться. Однородность кристалла проявляется в постоянстве химического и фазового состава. Анизотропия состоит в том, что некоторые его свойства могут оказаться разными, будучи измеренными в различных направлениях. Способность самоограняться есть также следствие правильного внутреннего строения, благодаря которому атомы кристалла распологаются на определённых прямых(потенциальных ребрах) и плоскостях(потенциальных гранях). Зародыши кристаллов образуются в растворе или расплаве. Малые скорости зарождения и роста приводят к возникновению крупных одиночных кристаллов с правильной огранкой. Кристаллы такого типа способны образовывать минералы. высокие скорости зарождения и роста приводят к конкурирующему росту множества микроскопических кристаллов. Эти кристаллики растут до случайного столкновения друг с другом с образование поликристаллического тела не имеющего огранки. Это свойственно металлам. Однако при гальваническом осаждении на свободную поверхность с помощью электронного микроскопа можно увидеть плоские грани и прямые ребра.

наблюдения над крупными моно кристаллами распространенных в природе минералов еще в 17 веке позволили сформулировать первый закон кристаллографии: с том что форма кристалла определенного вещества, число его граней и ребер могут изменяться, но двугранные углы между соответственными гранями кристаллов остаются постоянными.

Наблюдение за спаенностью кристалла привели к представлению, что они сложены из мельчайших параллелепипедов. Их этих представлений прямая дорога к представлениям о пространственной решетке. Однако неопровержимые доказательства регулярного сроения кристаллов были получены только в 1912 году, Макс фон Ладэ и его сотрудники поставили свой знаменитый опыт: узкий пучек ренгеновских лучей они направили на кристалл серно кислой меди за которым поместили фотопластину. После проявки помимо центрального черного пятна от пучка, прямо прошедшего через кристалл, обнаружилось множество черных пятен, расположенных в строгом порядке. Это были следы от лучей которые отклонились от центрального пучка под разными углами(в результате дифракции) . По картинке такой дифракции можно вычислить координаты частиц(атомов) в пространстве. уже в 30-е годы 20-ого века применение таких мощных новых методик как электронная микроскопия, нейтронография позволили показать, что не только металлы, но и многие другие вещества не способны к правильной огранке в том числе и органические, являются истинно твердыми кристаллическими веществами.