Современные представления о строении металлической жидкости
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
сжимаемость, теплоемкость близки к соответствующим величинам кристалла.
Металлурги обычно работают с жидкими металлами, не слишком перегретыми над ликвидусом. Их принято называть расплавами, чтобы отличить от жидкостей того же состава вблизи от критической температуры перехода жидкость-пар. Свойства расплавов, как правило, ближе к свойствам твердого тела, чем к соответствующим величинам для газа. Об этом свидетельствуют следующие факты, вытекающие из сравнения некоторых свойств веществ в различных агрегатных состояниях.
Изменения свойств веществ при переходе их из одного агрегатного состояния в другое
Сопоставим изменения ряда свойств веществ при переходах из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное.
. Объем. Объем большинства металлов при плавлении изменяется нем более, чем на 2-6%. Так, один моль и твердого, и жидкого железа занимает объем около 8 см3 (кубик с ребром 2 см). При испарении он увеличивается очень сильно: достаточно вспомнить, что один моль идеального газа при нормальных условиях (н.у.) занимает 22,4 л, или 22,4?103 см3, а пары металлов при обычных давлениях можно рассматривать как идеальные одноатомные газы. Такое различие означает, что в результате плавления расстояния между атомами меняются незначительно, тогда как при переходе в газообразное состояние межатомные связи полностью разрываются. Поэтому теплота плавления металлов составляет не более 10% от величины теплоты испарения. Например, для железа они равны соответственно 15 и 350 кДж/моль (данные получены при н.у.).
. Теплоемкость. У одноатомных идеальных газов, а пары металлов одноатомны, величина изобарной теплоемкости меньше и определяется соотношением
= (3/2)?R + R= (5/2)?R = 20,8 Дж/(моль?К)
Здесь R - универсальная газовая постоянная. Величина теплоемкости связана с характером теплового движения частиц. Жидкостям, как и твердым телам, с отличие от газов в большей мере свойственно колебательное движение атомов или молекул относительно центров равновесия. Хотя различие между жидкостью и кристаллом в этом отношении все же есть: доля поступательного движения частиц в жидкости заметно больше. Так, вблизи точки плавления в жидкости один перескок частицы (поступательное движение в соседнее положение равновесия) приходится на ~ колебаний, в кристалле - на ~ колебаний. Кроме того, позиции, относительно которых совершают колебательные движения частицы жидкости, в отличие от кристалла, не остаются неподвижными, а дрейфуют, увлекаемые окружающими их соседями. Ясно, что сравнительно редкие перемещения частиц жидкости из одного положения равновесия в другое не могут внести существенного вклада в теплоемкость, но они способны резко изменить механические характеристики вещества при плавлении.
. Изотермическая сжимаемость. Жидкости, как и твердые тела, обладают низкой сжимаемостью, в противоположность газам, из-за малого свободного объема между частицами.
. Диффузия. Диффузия в твердом теле имеет активационный характер. Температурная зависимость скорости диффузии определяется коэффициентом диффузии
= ?,
в котором - предэкспоненциальный множитель,
Е - энергия активации диффузии, или минимальная избыточная энергия по сравнению со средней энергией частиц, необходимая для совершения перескока в другое положение равновесия.
Диффузия во многих жидкостях описывается этим же механизмом с той разницей, что величины Е в них меньше, чем в кристалле. В газах диффузия не имеет активационного характера, и для них зависимость скорости диффузии от температуры выражается степенной функцией:
диф ~Тn,
где n ? 1,7.
. Механические свойства. Малое различие энергий межатомного взаимодействия в жидкости и твердом теле обусловливают сходство некоторых их механических характеристик. Например, жидкость подобно кристаллическому материалу может испытывать хрупкое разрушение под действием скалывающих напряжений. Характер разрушения в значительной
мере зависит от соотношения времени оседлой жизни частиц и времени воздействия деформирующего фактора. Если время воздействия меньше времени оседлой жизни частиц (для одноатомных жидкостей оно составляет с), то происходит хрупкое разрушение как твердого тела, так и жидкости. Для хрупкого разрушения характерно отсутствие деформации материала в поверхности излома. При более медленных воздействиях тела, прежде чем разрушатся, успевают деформироваться, течь под нагрузкой. Струя жидкости при невысоких скоростях воздействия на нее разбивается на округлые капли. При увеличении скорости движения разрушающего фактора (более 20 м/с) фрагменты приобретают вид осколков, характерных для хрупкого разрушения, что фиксируется скоростной киносъемкой. При скоростном воздействии извне жидкость подобно кристаллическому телу обладает твердостью. В свою очередь, как мы уже отмечали, твердое тело может течь под нагрузкой, превышающей так называемое напряжение течения, т.е. проявляет свойство, наиболее ярко выраженное у жидкостей - текучесть. Примером может служить течение ледников в горах под действием силы тяжести. Таким образом, принципиальных различий в механических свойствах твердых тел и жидкостей при небольших перегревах над температурой плавления не наблюдается.
. Структура. Результаты рентгенографического исследования жидкостей свидетельствуют о том, что для многих из них (но не для всех!) кривые интенсивности рассеяния, полученные при не?/p>