LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
AGNIESZKA TOMASOK KATARZYNA WARESIAK ([e-mail])	ZESPÓŁ A GRUPA 11	AGH WIMiC	Ocena:
Ćw8. DIAGRAM FAZOWY DLA UKŁADU Sn-Pb
Prowadzący: dr inż. A.RAKOWSKA, dr inż. J.PRAŻUCH
Data wykonania ćwiczenia: 03.03.2004 r.
Data oddania sprawozdania:
Data zaliczenia:

I. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie równowagi ciecz - ciało stałe dla dwuskładnikowego układu Sn - Pb przy wykorzystaniu metody analizy termicznej.

II. Definicje:

Równowaga termodynamiczna, stan układu termodynamicznego opisywany w pełni parametrami stałymi w czasie. Szczególnym przypadkiem równowagi termodynamicznej jest równowaga fazowa, będąca równowagą termodynamiczną układu zawierającego równolegle kilka faz (np. równowaga izolowanej cieplnie mieszaniny lód-woda w 0°C).

Faza,

1) w termodynamice: część układu termodynamicznego jednakowa pod względem właściwości fizycznych i chemicznych.

Przejście pomiędzy fazami współistniejącymi w danym układzie wiąże się ze skokową zmianą co najmniej jednego parametru termodynamicznego.

Współistniejące fazy rozdziela powierzchnia rozdziału o skończonej grubości i większej energii (energii powierzchniowej) niż otaczające fazy.

2) pojęcie stosowane do opisu zjawisk okresowych, np. drgań mechanicznych, prądu elektrycznego Wielkość fizyczna określająca stan układu drgającego w danej chwili

Reguła faz Gibbsa, zależność pomiędzy liczbą faz w układzie wielofazowym, a liczbą stopni swobody tego układu:

f = k - s + 2, (1)

gdzie: f - liczba faz, k - liczba niezależnych składników, s - liczba stopni swobody.

Na podstawie reguły faz Gibbsa (J.W. Gibbs) i odpowiednich diagramów fazowych można przewidzieć ewolucję układu pod wpływem zmieniających się warunków (parametrów zewnętrznych i składu).

Liczba stopni swobody, liczba niezależnych intensywnych parametrów stanu koniecznych do pełnego opisu danego układu.

Liczba stopni swobody rośnie ze wzrostem liczby składników i faz, a maleje ze wzrostem liczby równowag międzyfazowych i reakcji chemicznych zachodzących w opisywanym układzie

Liczba niezależnych składników jest to najmniejsza liczba rodzajów cząsteczek, z których można zbudować układ. Liczbę składników niezależnych określa się odejmując od liczby wszystkich składników liczbę wiążących je równań.

Krzywe chłodzenia. Rozpatrując krzywe przedstawiające zmianę temperatury w funkcji

czasu podczas chłodzenia ciekłego metalu obserwujemy początkowo ciągły spadek

temperatury, natomiast po osiągnięciu temperatury krystalizacji na krzywej temperatura-czas

zjawia się poziomy odcinek, gdyż odpływ ciepła zaczyna być kompensowany przez

wydzielające się ciepło krystalizacji (pochłonięte w czasie procesu topnienia). Po zakończeniu

krystalizacji zakrzepły metal stygnie i temperatura ponownie zaczyna się obniżać w sposób

ciągły. Krzywa l na załączonym rysunku przedstawia teoretyczne zmiany temperatury w czasie krystalizacji,

natomiast krzywa 2 — rzeczywisty przebieg tego procesu wskazujący na występowanie

przechłodzenia p.

Krzywe chłodzenia (temperatura w funkcji czasu) podczas krystalizacji metalu

Krystalizacja, proces tworzenia się i wzrostu kryształu z cieczy przechłodzonej, roztworu przesyconego lub przesyconej pary (fazy gazowej).

Aby jednak rozpoczęła się krystalizacja, muszą najpierw powstać bardzo małe zalążki nowej fazy (zarodki krystalizacji, nukleacja), albo należy je do krystalizatora wprowadzić (zaszczep krystalizacji).

Eutektyk, mieszanina eutektyczna, stop, który krzepnie w stałej temperaturze (nie zmieniając przy tym składu), czemu towarzyszy wydzielanie się mieszaniny faz stałych w postaci czystych składników eutektyku (lub ich nasyconych roztworów - jeśli składniki wykazują ograniczoną rozpuszczalność w stanie stałym).

Punkt eutektyczny, zerozmienny punkt na diagramie fazowym odpowiadający takiej temperaturze, w której współistnieją czyste składniki stopu wraz z tym stopem. Krzepnięciu w punkcie eutektycznym towarzyszy wydzielenie eutektyku.

Przechłodzenie, ochłodzenie cieczy poniżej temperatury krzepnięcia. Ciecz przechłodzona znajduje się w stanie termodynamicznie nietrwałym.

Reguła dźwigni

W procesie krystalizacji zarówno pierwotnej, jak i wtórnej (w stanie stałym zmienia się nie

tylko skład poszczególnych faz, ale i ilość każdej fazy. W dowolnym punkcie wykresu

równowagi można w obszarze jednoczesnego występowania) dwóch faz określić ich ilość oraz

ich skład chemiczny. Wykorzystuje się do tego celu tzw. regułę dźwigni.

Aby określić skład chemiczny współistniejących faz w danej temperaturze ty, należy dla tej temperatury

przeprowadzić linię równoległą do osi składów. Rzuty punktów przecięcia tej linii z krzywymi

ograniczającymi obszar dwufazowy na oś składów, określają skład faz.

Ilościowy stosunek faz określa się za pomocą wzorów:

Rc/Rs=ab/bc

Rc/R=ab/ac

Rs/R=bc/ac

gdzie:Rc— ilość fazy ciekłej,

Rs- ilość fazy stałej,

R=Rc+Rs— ogólna ilość stopu,

ab, bc i ac — odcinki wyznaczone przez linię ty oraz likwidus i solidus

Równowaga fazowa, stan układu wielofazowego (faza), którego parametry nie ulegają zmianie, a potencjały chemiczne każdego poszczególnego składnika są jednakowe we wszystkich fazach.

III. Opis metody pomiarowej:

Diagram fazowy można wyznaczyć metodą analizy termicznej. Badany układ (np. dwuskładnikowy stop metali) ogrzewa się do określonej temperatury, a następnie chłodzi rejestrując jednocześnie jego temperaturę. Wykres zależności temperatury od czasu T=f(t) nosi odpowiednio nazwę: „krzywej chłodzenia”. Przebieg krzywej chłodzenia omówiony zostanie na przykładzie krzywej "A" (rys.1) otrzymanej dla czystego składnika. Przyjmijmy za punkt wyjścia stop w fazie ciekłej. W trakcie procesu chłodzenia pobieramy od układu energię na sposób ciepła, obniżając tym samym jego energię kinetyczną związaną z ruchem atomów. Średnia energia kinetyczna maleje w sposób ciągły do momentu, w którym zaczyna się proces krystalizacji. Proces krystalizacji powoduje zmniejszenie swobody ruchu atomów i obniżenie entropii układu. Energia potencjalna atomów tworzących sieć krystaliczną maleje skokowo i wydziela się w postaci ciepła krystalizacji. Przy dostatecznie wolnym oddawaniu ciepła przez układ do otoczenia, temperatura układu w trakcie krystalizacji pozostaje stała, gdyż efekt cieplny związany z krystalizacją jest kompensowany przez straty ciepła w wyniku chłodzenia (tzw. „przystanek” na krzywej chłodzenia). W momencie, gdy cała ciecz ulegnie przemianie w ciało stałe temperatura układu ponownie będzie się obniżać w sposób ciągły. Energia wydzielana przez układ w czasie chłodzenia w zakresie temperatur, w którym występuje tylko jedna faza, może być określona w następujący sposób:

Q = m₁⋅c₁⋅ΔT + m₂⋅c₂⋅ΔT (2)

gdzie m - masa składnika, c - ciepło właściwe, zaś w temperaturach przejść fazowych:

Q_pf = m ⋅ c_pf (3)

gdzie c_pf oznacza ciepło przemiany (np. topnienia).

Stop krzepnący w stałej temperaturze z równoczesnym wydzieleniem się dwóch faz stałych nazywany jest eutektykiem, zaś punkt E na diagramie fazowym - punktem eutektycznym.

Rys.1. Konstrukcja diagramu fazowego prostego układu eutektycznego na podstawie przebiegu krzywych chłodzenia.

IV. Część eksperymentalna:

Przyrządy i odczynniki:

Termopary chromel-alumel w osłonach; miliwoltomierze cyfrowe, piece elektryczne, autotransformatory, naczynia Dewara z lodem na zimne końce termopar, tygle alundowe zawierające czyste metale oraz ich stopy (t.t.- temperatura topnienia):

tygiel nr 1 - metal: Sn t.t. - ok. 230 ^oC

tygiel nr 2 - stop: 80 % Sn / 20 % Pb t.t. - ok. 200 ^oC

tygiel nr 3 - stop: 60 % Sn / 40 % Pb t.t. - ok. 190 ^oC

tygiel nr 4 - stop: 40 % Sn / 60 % Pb t.t. - ok. 240 ^oC

tygiel nr 5 - stop: 20 % Sn / 80 % Pb t.t. - ok. 280 ^oC

tygiel nr 6 - stop: 10 % Sn / 90 % Pb t.t. - ok. 295 ^oC

Warunki pomiarowe:

Pomiary były dokonywane pod ciśnieniem jednej atmosfery. Do eksperymentów użyłyśmy stopów o następującym składzie:

• tygiel nr 1 - metal : Pb

• tygiel nr 2 - stop : 50%Sn - 50%Pb

• tygiel nr 3 - stop : 20%Sn - 80%Pb

• tygiel nr 4 - stop : 90%Sn - 10%Pb

• tygiel nr 5 - stop : 70%Sn - 30%Pb

Czas trwania eksperymentu wyniósł około 258 minut (tj. 4,3h).

Wyniki pomiarowe:

Numer Stopu:	Skład/%		Temperatura/°C
		Sn	Pb	załamanie	przystanek
1	0%	100%
2	50%	50%
3	20%	80%
4	90%	10%
5	70%	30%

kurde

---