Строение и свойства жидкого металла. Изменения в строении металлов при нагревании. Тепловое расширение. – (Плавление металла.) С точки зрения электронной теории металлическое тело состоит из положительных ионов, как бы плавающих электронных жидкости. Притяжение ионов электронной жидкостью, омывающих их, равносильно внешнему давлению, которому бы подверглись ионы. Это условие требует наиболее компактного расположения атомов в кристаллической решетке. При этом наиболее выгодные формы размещения атомов гексагональное или гранецентрированное кубическое расположение в решетке.

Электроны в металле находятся в непрерывном и беспорядочном движении, похожем на тепловое движение. Однако в отличие от теплового движения скорость движения электроном практически не зависит от температуры.

При нагревании происходит расширение металлов, увеличение их объема. Это вызывается колебательным движением атомов около своих положения равновесий. Если бы колебания атомов были бы гармоническими, то положения равновесие атома не изменится и средние размеры тоже останутся без изменений. Однако силы удерживающие атом в состоянии равновесия, характеризуются не линейной, а более сложной функцией расстояния и, кроме того, функцией симметричной. В этом причина теплового расширения металлов.

Пусть при равновесном положении двух атомов расстояние между ними определяется величиной Ко, тогда сила взаимодействия между атомами будет отталкивающей, при расстоянии меньшем Rо и притягивающей при расстоянии большем Rо. Однако сила отталкивания, действующая между атомами при их сближении, возникает быстрее, чем сила притяжения. В результате ассиметричного характера сил действующих атом, его расстояние от соседнего взаимодействующего с ним атома будет увеличиваться.

Если атом А принять неподвижным, а положение атома В определяется расстоянием а и в, при этом а равно в. по мере увеличения температуры величины этих расстояний будут изменяться, причем величина смещения вправо (расстояние в) будет возрастать быстрее, чем величина смещения влево ( расстояние а). Среднее положение подвижного атома. В будут смещаться по направлению пунктирной линией.

Такова природа теплового расширения.

При тепловом расширении изменяется расстояние между атомами, но не меняется их относительное расположение в кристаллической решетке.

По закону Максвелла, действительному и для твердых тел и для газов, относительное число атомов, имеющих кинетическую энергию , пропорционально выражению

Поэтому даже при низких температурах в металле всегда имеется некоторое количество атомов, у которых вследствие взаимодействия с соседними атомами кинетическая энергия будет сколько угодно велика.

Получив на некоторый момент большую энергию, атом может изменить свое первоначальное положение и занять новое. В момент перехода из одного положения в другое атом потеряет избыточную энергию, достаточную для дальнейшего перехода в другое положение.

Таким образом, реальный кристалл – это своеобразный твердый раствор, в котором вместе с основными компонентами, находящимися в узлах, имеются дислоцированные атомы и дырки (вакансия).

Количество дислоцированных атомов и вакансий будет увеличиваться с повышением температуры и достижения максимума при температуре плавления.

Плавление металла.

При нагревании металла до температуры плавления происходит нарушение правильности его структуры. Это характеризуется возрастанием в металле перемещающихся атомов. Дальнейшее повышение температуры приводит к плавлению металла.

Тепловое расширение приводит к такому увеличению расстояния между атомами при котором устойчивость кристаллической решетки в определенный момент теряется внезапно, наступает быстрый обрыв связей между атомами, резкая перестройка структуры. При нагревании расстояние между атомами увеличивается ( А и С ).

Если атом В занимается положение посередине, то наступит такой момент, когда он будет испытывать воздействие от атомов А и С и в конце концов оторвется и переместится от А и С или наоборот. Таким образом происходит разрыв связей между атомами. И начинается процесс плавления.

Если рассматривать два атома, то кривые, изображающие изменения потенциалов и сила притяжения (а) и сил отталкивания (в) между атомами, в зависимости от расстояния между ними будут иметь вид, представленный на рис.

Кривая а потенциала сил притяжения с увеличением r падает медленнее кривой в, поэтому кривая (сплошная линия) имеет характеризует форму образует потенциальную яму. Поэтому r₀ соответствует наиболее устойчивому положению атомов.

Строение жидкого металла. Дальний и ближний порядок. – (Уравнение состояния жидкости.) – (Тепловое движение атомов в жидкости.) Обозначим через z число атомов разных видов, например А и В, окружающих каждый атом, а через число соседних атомов, принадлежащих к какому – либо одному сорту атомов. Тогда z – z¹ определяет число атомов другого сорта. Степенью ближнего порядка будет отношение:

а) При z¹=z все атомы разноименные и η=1 здесь имеет место полный ближний порядок расположения атомов. б) При z¹= z половина всех окружающих атомов разноименные, а η=0 т.е ближний порядок исчезает. в) При z¹=0 отсутствуют разноименные атомы, т.е. происходит разделение атомов А и атомов В, или распад раствора на оба компонента. Введенные понятия дальнего и ближнего порядка имеют существенное значение для правильного представления о различии между твердым и жидким состоянием у чистых металлов. При твердом кристаллическом состоянии металла атомы правильно расположены в узлах решетки. В процессе плавления металла это порядок исчезает. Структура и свойства жидкого металла подобны структуре и свойствам его в твердом состоянии. В доказательство этого могут быть приведены следующие соображения:

1. При плавлении происходит небольшое увеличение объема, которое у металлов не превышает 10%.

2. Обычно теплота плавления очень мала по сравнению с теплотой испарения. Отсюда следует, что силы сцепления между частицами при плавлении ослабляются незначительно.

3. При плавлении теплоемкость почти не изменяется или увеличивается в небольших размерах. Это говорит о том, что характер теплового движения в жидкости существенно не меняется практически он такой же, как и в твердых телах, т.е. в основном сводится к колебаниям частиц около которых положений равновесия.

4. Жидкость обладает текучестью; это основная особенность жидкости отмечает ее скорее количественно, чем качественно от твердого тела.

5. Рентгенографические исследования, проведенные в последние годы показали, что живности вблизи точки плавления имеют расположение частиц, сходное с тем правильным расположением, которое они имеют при кристаллизации. Таким образом, экспериментально доказано, что вблизи точки плавления в жидкости сохраняется ближний порядок в расположении частиц, наблюдаются как бы микрокристаллики, подобные исходным.