Ćwiczenie 2

Analiza termiczna

1. Podaj znaczenie pojęć:

1. Układ.

Układem nazywamy zbiór faz. Jeśli fazy te znajdują się w równowadze termodynamicznej, wówczas mówimy o układzie równowagi.

2. Składniki

Składniki układu to substancje proste (np. pierwiastki) lub złożone (np. związki) nie ulegające przemianom, z których składają się fazy układu.

3. Równowaga fazowa

Równowaga fazowa istnieje wówczas, gdy w określonych warunkach termodynamicznych stosunki ilościowe między fazami układu, tj. skład fazowy, pozostają stałe.

Równowaga fazowa polega na tym, że w wyniku jednakowych energii swobodnych wszystkich faz układu (w danych warunkach termodynamicznych) stosunki ilościowe między poszczególnymi fazami nie ulegają zmianie i w stopach ustaje przepływ składników między fazami.

4. Równowaga termodynamiczna

Równowaga termodynamiczna jest pojęciem wykorzystywanym do określenia stanu układu. W tym przypadku kryterium równowagi termodynamicznej jest energia swobodna, która osiąga wartość minimalną.

5. Energia swobodna

Energia swobodna jest jednoznaczną funkcją stanu określającą stan układu. Funkcję tę możemy rozpatrywać w różnych warunkach termodynamicznych (temperatury T, ciśnienia P, objętości V). jeżeli układ znajduje się przy stałej temperaturze i objętości, równowaga jest opisywana za pomocą energii swobodnej Helmholtza F

F= E- TS

Gdzie:

E- energia wewnętrzna

S- entropia

Dla stałej temperatury i ciśnienia równowagę opisuje energia swobodna Gibasa G (zwana także potencjałem termodynamicznym).

6.Stop

Stopem nazywamy tworzywo metaliczne składające się z dwu lub więcej składników, z których co najmniej jeden, stanowiący osnowę, jest metalem. Oprócz tego stopy zawierają zwykle domieszki, które dostają się przypadkowo w procesie wytwarzania z surowców lub (i) paliwa.

7. Składnik stopu

8. Faza

Fazą nazywamy część od reszty układu jednorodną pod względem chemicznym i krystalograficznym, oddzieloną od reszty układu powierzchnią rozdziału, czyli granicą międzyfazową.

9. Reguła faz, zwana również regułą Gibasa.

Reguła faz, zwana również regułą faz Gibasa, określa za pomocą formuły matematycznej liczbę stopni swobody S układu, tzn. liczbę zewnętrznych i wewnętrznych czynników, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby faz w układzie. Najczęściej jest stosowana forma reguły faz dla stałego ciśnienia:

S= n-f+1

Gdzie:

n- liczba składników

f- liczba faz

10. Wykres równowagi fazowej

Jest to wykres przedstawiający temperatury, przy których zachodzi zmiana liczby stopni swobody, w funkcji składu chemicznego stopu w warunkach równowagi termodynamicznej. Linie wykresu określają temperatury początku lub końca przemiany fazowej przy danym składzie stopu, a także zmiany składu chemicznego faz pozostających w równowadze przy różnych temperaturach.

Rys.5.1.

Wykres równowagi faz układu 1-składnikowego

11. Termopara- element obwodu elektrycznego składający się z 2 różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara wykorzystywana jest jak czujnik temperatury.

12. Analiza termiczna, Analiza cieplna -

Najprostszą metodą analizy cieplnej jest sporządzanie wykresów nagrzewania i chłodzenia stopów w układzie temperatura-czas. Schemat urządzenia jest pokazany na rys. 9.3. składa się ono z pieca(1),w którym znajduje się tygiel(2) ze stopem(3). Do stopu wkłada się termoparę(5) w rurce ceramicznej(4). Temperaturę odczytuje się na miliwoltomierzu(6). Analiza polega na pomiarze temperatury w stałych odstępacch czasu przy powolnym chłodzeniu i nagrzewaniu. Można również wykreślić wykres za pomocą przyrządu samopiszącego. Jeżeli w badanym zakresie temperatur zachodzą jakieś przemiany, zostanie to zarejestrowane w postaci przystanku (S=0) lub załamani na krzywej zwanego punktem przełomowym.

Rys.9.3

13. Reguła dźwigni

Zasada tej reguły wynika z rys. 9.5. Jeżeli stop s o składzie cₒ ma temperaturę Tₒ, to pozostające w równowadze fazy α i β będą miały składy odczytane punktach przecięcia linii poziomej (konody) z liniami wykresu równowagi (oznaczonymi na rysunku jaki likwidus i solidus).

Należy zwrócić uwagę, że długości odcinków konody między składem stopu i odpowiednich faz (α, β) pozostających w równowadze są odwrotnie proporcjonalne do ilości tych faz.

Rys.9.5.a

Rysunek pomocniczy do wprowadzenia reguły odcinków (dźwigni): fragment układu równowagi

Rys.9.5.b

Rysunek pomocniczy do wprowadzenia reguły odcinków (dźwigni): dźwignia odpowiednia dla stopu s i temperatury Tₒ

---