Bir önceki paragrafta buzun erimesi ve katılaşması grafiğine bakmıştık. Grafik, buzun erimesi sırasında sıcaklığının değişmediğini göstermektedir (bkz. Şekil 18). Ve ancak tüm buz eridikten sonra ortaya çıkan sıvının sıcaklığı yükselmeye başlar. Ancak erime işlemi sırasında bile buz, ısıtıcıda yanan yakıttan enerji alır. Ve enerjinin korunumu yasasından, onun ortadan kaybolamayacağı sonucu çıkar. Eritme sırasında harcanan yakıt enerjisi nedir?
Kristallerde moleküllerin (veya atomların) şu şekilde düzenlendiğini biliyoruz: sıkı bir düzende. Ancak kristallerde bile termal hareket halindedirler (salınırlar). Vücut ısındığında ortalama hız Moleküler hareket artar. Dolayısıyla ortalamaları da artıyor kinetik enerji ve sıcaklık. Grafikte bu AB kesitidir (bkz. Şekil 18). Sonuç olarak moleküllerin (veya atomların) titreşim aralığı artar. Vücut erime sıcaklığına kadar ısındığında kristallerdeki parçacıkların diziliş düzeni bozulur. Kristaller şeklini kaybeder. Bir madde katı halden sıvı hale geçerek erir.
Sonuç olarak, kristalin bir cismin erime noktasına kadar ısıtıldıktan sonra aldığı tüm enerji, kristali yok etmek için harcanır. Bu bakımdan vücut ısısının artması durur. Grafikte (bkz. Şekil 18) bu BC bölümüdür.
Deneyler, aynı kütledeki çeşitli kristalli maddelerin erime noktasında sıvıya dönüştürülmesinin gerekli olduğunu göstermektedir. farklı miktarlar sıcaklık.
1 kg ağırlığındaki bir kristal cismin, erime noktasında tamamen sıvı hale geçmesi için ne kadar ısı verilmesi gerektiğini gösteren fiziksel miktara, özgül füzyon ısısı denir.
Spesifik füzyon ısısı λ (Yunanca “lambda” harfi) ile gösterilir. Birimi 1 J/kg'dır.
Spesifik füzyon ısısı deneysel olarak belirlenir. Böylece buzun özgül ergime ısısının 3,4 10 5 - olduğu bulunmuştur. Bu, 0 °C'de alınan 1 kg ağırlığındaki bir buz parçasını aynı sıcaklıktaki suya dönüştürmek için 3,4 10 5 J enerji gerektiği anlamına gelir. Ve erime sıcaklığında alınan 1 kg ağırlığındaki bir kurşun bloğunu eritmek için 2,5 · 10 4 J enerji harcamanız gerekecektir.
Bu nedenle erime sıcaklığında iç enerji içindeki maddeler sıvı hal Aynı kütledeki maddenin katı haldeki iç enerjisinin daha büyük olması.
Erime için gereken Q ısı miktarını hesaplamak için kristal gövde kütle t, erime noktasında ve normal olarak alındığında atmosferik basınç, spesifik füzyon ısısını λ vücut kütlesi m ile çarpmanız gerekir:
Bu formülden şu belirlenebilir:
λ = Q / m, m = Q / λ
Deneyler gösteriyor ki sertleşme sırasında kristal madde Erime sırasında emilenle tamamen aynı miktarda ısı açığa çıkar. Böylece, 1 kg ağırlığındaki su 0 °C sıcaklıkta katılaştığında, 3,4 · 10 5 J'ye eşit miktarda ısı açığa çıkar. 0 °C sıcaklıkta 1 kg ağırlığındaki buzun erimesi için tam olarak aynı miktarda ısı gerekir. .
Bir madde sertleştiğinde her şey olur ters sıra. Soğutulmuş erimiş maddedeki moleküllerin hızı ve dolayısıyla ortalama kinetik enerjisi azalır. Çekici kuvvetler artık yavaş hareket eden molekülleri birbirine yakın tutabiliyor. Sonuç olarak parçacıkların düzeni düzenli hale gelir ve bir kristal oluşur. Kristalleşme sırasında açığa çıkan enerji, bakımın sürdürülmesi için harcanır. sabit sıcaklık. Grafikte bu EF bölümüdür (bkz. Şekil 18).
Toz parçacıkları gibi bazı yabancı parçacıkların başlangıçtan itibaren sıvının içinde mevcut olması durumunda kristalleşme kolaylaşır. Kristalleşme merkezleri haline gelirler. Normal koşullar altında, bir sıvıda çevresinde kristal oluşumunun meydana geldiği çok sayıda kristalleşme merkezi vardır.
Tablo 4.
Özgül ısı belirli maddelerin erimesi (normal atmosfer basıncında)
Kristalleşme sırasında enerji açığa çıkar ve çevredeki cisimlere aktarılır.
Kütlesi m olan bir cismin kristalleşmesi sırasında açığa çıkan ısı miktarı da formülle belirlenir.
Vücudun iç enerjisi azalır.
Örnek. Turist, çay hazırlamak için 0°C sıcaklıktaki 2 kg buzu bir tencereye koyuyor. Bu buzu 100 °C sıcaklıkta kaynayan suya dönüştürmek için ne kadar ısıya ihtiyaç vardır? Kazanı ısıtmak için harcanan enerji dikkate alınmaz.
Bir turist buz deliğinden buz yerine aynı kütlede ve aynı sıcaklıkta su alırsa ne kadar ısıya ihtiyaç duyulur?
Sorunun koşullarını yazıp çözelim.
Sorular
- Maddenin yapısı doktrinine dayanarak bir cismin erime süreci nasıl açıklanır?
- Erime sıcaklığına kadar ısıtılan kristalin bir cismi eritirken harcanan yakıt enerjisi nedir?
- Özgül füzyon ısısına ne denir?
- Maddenin yapısı teorisine dayanarak katılaşma süreci nasıl açıklanır?
- Kristalin bir katıyı erime noktasında eritmek için gereken ısı miktarı nasıl hesaplanır?
- Erime noktası olan bir cismin kristalleşmesi sırasında açığa çıkan ısı miktarı nasıl hesaplanır?
Egzersiz 12
Egzersiz yapmak
- Ocağın üzerine iki özdeş teneke kutuyu yerleştirin. Birine 0,5 kg ağırlığındaki suyu dökün, diğerine aynı kütleye sahip birkaç buz küpü koyun. Her iki kavanozdaki suyun kaynamasının ne kadar sürdüğünü unutmayın. Yazmak kısa rapor deneyiminizi anlatın ve sonuçları açıklayın.
- “Amorf cisimler” paragrafını okuyun. Erime amorf cisimler" Bununla ilgili bir rapor hazırlayın.
Sıcak bir odaya getirilen buz ve su dolu bir kabın, buzun tamamı eriyene kadar ısınmadığını gördük. Bu durumda aynı sıcaklıktaki buzdan su elde edilir. Bu sırada buzlu su karışımına ısı akar ve sonuç olarak bu karışımın iç enerjisi artar. Buradan suyun iç enerjisinin aynı sıcaklıktaki buzun iç enerjisinden daha büyük olduğu sonucuna varmalıyız. Moleküllerin, suyun ve buzun kinetik enerjisi aynı olduğundan erime sırasında iç enerjinin artması moleküllerin potansiyel enerjisinin de artması anlamına gelir.
Deneyimler yukarıdakilerin tüm kristaller için geçerli olduğunu göstermektedir. Bir kristali eritirken, kristalin ve eriyiğin sıcaklığı değişmeden kalırken sistemin iç enerjisini sürekli olarak arttırmak gerekir. Tipik olarak, kristale belirli miktarda ısı aktarıldığında iç enerjide bir artış meydana gelir. Aynı hedefe iş yaparak, örneğin sürtünmeyle de ulaşılabilir. Yani bir eriyiğin iç enerjisi her zaman aynı sıcaklıktaki aynı kristal kütlesinin iç enerjisinden daha büyüktür. Bu, parçacıkların düzenli düzeninin (kristal halindeki), düzensiz düzenlemeden (eriyik halindeki) daha düşük enerjiye karşılık geldiği anlamına gelir.
Bir kristalin birim kütlesini aynı sıcaklıktaki bir eriyik haline dönüştürmek için gereken ısı miktarına kristalin özgül erime ısısı denir. Kilogram başına joule cinsinden ifade edilir.
Bir madde katılaştığında, füzyon ısısı açığa çıkar ve çevredeki cisimlere aktarılır.
Refrakter gövdelerin (erime noktası yüksek olan gövdeler) spesifik füzyon ısısının belirlenmesi kolay bir iş değildir. Buz gibi düşük erime noktalı bir kristalin spesifik füzyon ısısı bir kalorimetre kullanılarak belirlenebilir. Belirli sıcaklıktaki belirli miktarda suyun kalorimetreye dökülüp içine atılması bilinen kütle Zaten erimeye başlayan, yani bir sıcaklığa sahip olan buz, buzun tamamı eriyene ve kalorimetredeki suyun sıcaklığı sabit bir değer alana kadar bekleyin. Enerjinin korunumu yasasını kullanarak, buzun erimesinin özgül ısısını belirlememize olanak tanıyan bir ısı dengesi denklemi (§ 209) oluşturacağız.
Suyun kütlesi (kalorimetrenin su eşdeğeri dahil) buzun kütlesine, suyun özgül ısısına, suyun başlangıç sıcaklığına, son sıcaklığına, buzun erimesinin özgül ısısına eşit olsun. . Denklem ısı dengesi benziyor
.
Tabloda Tablo 16'da bazı maddelerin spesifik füzyon ısısı gösterilmektedir. Dikkate değer olan, buzun erimesinin yüksek ısısıdır. Bu durum doğadaki buzların erimesini yavaşlattığı için çok önemlidir. Eğer füzyonun özgül ısısı çok daha düşük olsaydı bahar taşkınları kat kat daha güçlü olurdu. Spesifik füzyon ısısını bildiğimizden, herhangi bir cismi eritmek için ne kadar ısıya ihtiyaç olduğunu hesaplayabiliriz. Vücut zaten erime noktasına kadar ısıtıldıysa, ısı yalnızca onu eritmek için harcanmalıdır. Erime noktasının altında bir sıcaklığa sahipse, o zaman yine de ısıtmak için ısı harcamanız gerekir.
Tablo 16.
|
Madde |
Madde |
||
Erime noktası kimyasal olarak saf demir 1539 o C'dir. Teknik olarak saf demir Oksidatif rafinasyon sonucu elde edilen metal, metal içinde çözünmüş belirli miktarda oksijen içerir. Bu nedenle erime noktası 1530 o C'ye düşer.
Çeliğin erime noktası, içindeki yabancı maddelerin varlığından dolayı her zaman demirin erime noktasından daha düşüktür. Demirde çözünen metaller (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V, vb.), metalin erime noktasını, eklenen elementin% 1'i başına 1 - 3 o C düşürür ve metaloidler grubundan elementler (C) , O, S, P vb.) 30 – 80 o C'de.
Çoğu için toplam süre erime, metalin erime noktası esas olarak karbon içeriğindeki değişikliklerin bir sonucu olarak değişir. Çelik eritme ünitelerinde son eritme için tipik olan %0,1 - 1,2'lik bir karbon konsantrasyonunda, metalin erime sıcaklığı, denklemden pratik amaçlar için yeterli doğrulukla tahmin edilebilir.
Demirin füzyon ısısı 15200 J/mol veya 271,7 kJ/kg'dır.
Demirin kaynama noktası yayınlarda son yıllar 2735 o C olarak verilmektedir. Ancak demirin kaynama noktasının çok daha yüksek (3230 o C'ye kadar) olduğunu gösteren araştırma sonuçları yayınlanmıştır.
Demirin buharlaşma ısısı 352,5 kJ/mol veya 6300 kJ/kg'dır.
Basınç doymuş buhar bez(P Fe , Pa) denklem kullanılarak tahmin edilebilir
burada T metal sıcaklığıdır, K.
Demirin doymuş buhar basıncının hesaplanmasının sonuçları farklı sıcaklıklar metalin üzerindeki oksitleyici gaz fazındaki toz içeriğinin yanı sıra ( X, g/m3) Tablo 1.1'de sunulmaktadır.
Tablo 1.1– Demirin doymuş buhar basıncı ve gazların toz içeriği farklı sıcaklıklar
Mevcut sağlık standartlarına göre atmosfere yayılan gazlardaki toz içeriğinin 0,1 g/m3'ü geçmemesi gerekiyor. Tablo 1.1'deki verilerden, 1600 o C'de metalin açık yüzeyinin üzerindeki gazların toz içeriğinin daha yüksek olduğu açıktır. kabul edilebilir değerler. Bu nedenle gazları çoğunlukla demir oksitlerden oluşan tozdan arındırmak zorunludur.
Dinamik viskozite. Katsayı dinamik viskozite sıvı () ilişkiden belirlenir
burada F, iki hareketli katman arasındaki etkileşim kuvvetidir, N;
S – katmanların temas alanı, m2;
– akış yönüne dik sıvı katmanlarının hız gradyanı, s -1.
Demir alaşımlarının dinamik viskozitesi genellikle 0,001 - 0,005 Pa s aralığında değişir. Değeri sıcaklığa ve başta karbon olmak üzere yabancı maddelerin içeriğine bağlıdır. Metal 25 - 30 o C'nin üzerindeki erime noktasının üzerinde aşırı ısıtıldığında sıcaklığın etkisi önemli değildir.
Kinematik viskozite Akışkan, birim kütle akışındaki momentum aktarım hızıdır. Değeri denklemden belirlenir
sıvının yoğunluğu nerede, kg/m3.
Sıvı demirin dinamik viskozite değeri 6 10 -7 m 2 /s'ye yakındır.
Demir Yoğunluğu 1550 - 1650 o C'de 6700 - 6800 kg/m3'e eşittir. Kristalleşme sıcaklığında sıvı metalin yoğunluğu 6850 kg/m3'e yakındır. Katı demirin kristalleşme sıcaklığındaki yoğunluğu 7450 kg/m3, oda sıcaklığında ise 7800 kg/m3'tür.
Sıradan yabancı maddelerden en büyük etki Karbon ve silikon, demir eriyiklerinin yoğunluğunu etkileyerek onu düşürür. Bu nedenle, sıradan bileşimdeki sıvı dökme demirin yoğunluğu 6200–6400 kg/m3, oda sıcaklığında katı dökme demirin yoğunluğu ise 7000–7200 kg/m3'tür.
Sıvı ve katı çeliğin yoğunluğu ara konum demir ve dökme demirin yoğunlukları sırasıyla 6500 - 6600 ve 7500 - 7600 kg/m3 arasındadır.
Özgül ısı sıvı metal pratik olarak sıcaklıktan bağımsızdır. Tahmin hesaplamalarında değeri dökme demir için 0,88 kJ/(kg K), çelik için 0,84 kJ/(kg K) alınabilir.
Demirin yüzey gerilimi sahip olmak maksimum değer yaklaşık 1550 o C sıcaklıkta. Daha yüksek ve düşük sıcaklıklar boyutu azalır. Bu, demiri, bir azalma ile karakterize edilen çoğu metalden ayırır. yüzey gerilimi sıcaklık arttıkça.
Sıvı demir alaşımlarının yüzey gerilimi, bağlı olarak önemli ölçüde değişir. kimyasal bileşim ve sıcaklık. Genellikle 1000 – 1800 mJ/m2 arasında değişir (Şekil 1.1).
