Analiza termiczna Krzywe stygnięcia

Podobne dokumenty
MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

Trójkąt Gibbsa Równowagi układów z ograniczoną mieszalnością składników Prawo podziału Nernsta

STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

BADANIE RÓWNOWAG FAZOWYCH W UKŁADACH TRZECH CIECZY

Wykresy równowagi fazowej. s=0

Wykład 8B. Układy o ograniczonej mieszalności

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenie 7. Układ dwuskładnikowy równowaga ciało stałe-ciecz.

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Prężność pary nad roztworem

Chemia fizyczna. Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Ćwiczenie VII: RÓWNOWAGA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM CIAŁO STAŁE CIECZ

14. DIAGRAM GIBBSA. Sprawdzono w roku 2014 przez A.Klimek-Turek

Para pozostająca w równowadze z roztworem jest bogatsza w ten składnik, którego dodanie do roztworu zwiększa sumaryczną prężność pary nad nim.

Podstawowe definicje

Wykład 8 Wykresy fazowe część 2

Laboratorium z chemii fizycznej. Zakres zagadnień na kolokwia

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Efekty strukturalne przemian fazowych Marek Faryna

14. IZOTERMA ROZPUSZCZALNOŚCI UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO ROZPUSZCZALNIKÓW

RÓWNOWAGI FAZOWE W UKŁADACH TRÓJSKŁADNIKOWYCH TYPU CIECZ CIECZ

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

Kalorymetria. 1. I zasada termodynamiki, Prawo Hessa, Prawo Kirchhoffa (graficzna interpretacja), ciepło właściwe, termodynamiczne funkcje stanu.

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

I. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wykonanie analizy termicznej stopu metali oraz wyznaczenie składu eutektyku i jego temperatury krzepnięcia.

Wykład 3. Diagramy fazowe P-v-T dla substancji czystych w trzech stanach. skupienia. skupienia

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

WYKŁAD 7. Diagramy fazowe Dwuskładnikowe układy doskonałe

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Wykład 8 Wykresy fazowe część 1

Ćwiczenie 3: Wpływ temperatury na równowagę w układzie ciecz-ciecz

Termodynamika równowag fazowych w układach dwuskładnikowych

14. IZOTERMA ROZPUSZCZALNOŚCI UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO ROZPUSZCZALNIKÓW

Temat 2. Równowaga fazowa i diagramy fazowe

Równowaga. równowaga metastabilna (niepełna) równowaga niestabilna (nietrwała) równowaga stabilna (pełna) brak równowagi rozpraszanie energii

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym

Wykład 1-4. Anna Ptaszek. 6 września Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemia biopolimerów - wykład 1-4.

Prowadzący. telefon PK: Pokój 210A (Katedra Biotechnologii i Chemii Fizycznej C-5)

Wykresy równowagi układu żelazo-węgiel. Stabilny żelazo grafit Metastabilny żelazo cementyt

Roztwory rzeczywiste (1)

Roztwory rzeczywiste (1)

EGZAMIN pisemny z TERMODYNAMIKI TERMODYNAMIKA TECHNICZNA I CHEMICZNA. Lista pytań opisowych (semestr zimowy 2015/16)

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 2, zadanie nr 1 1

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Krystalizacja. Zarodkowanie

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Równowaga fazowa. Przykładowo: 1. H 2 O (c) w mieszaninie H 2 O (c) + H 2 O (s) 2. mieszanina opiłek żelaza i sproszkowanej siarki

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2016/17)

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Stopy żelaza z węglem

Stany równowagi w układach homo i heterofazowych

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

W8 40. Para. Równanie Van der Waalsa Temperatura krytyczna ci Przemiany pary. Termodynamika techniczna

Klasyfikacja przemian fazowych

TERMODYNAMIKA TECHNICZNA I CHEMICZNA

UKŁADY WIELOFAZOWE ROZDZIELANIE MIESZANINY CHLORKÓW SODU I POTASU

Stopień wyekstrahowania w układzie ciecz ciecz

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

Badanie równowag ciecz para w układach dwuskładnikowych

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

6. UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ STOPÓW DWUSKŁADNIKOWYCH. Opracował: dr inż. Janusz Krawczyk

CHEMIA FIZYCZNA ZTiM

I piętro p. 131 A, 138

IDENTYFIKACJA CHARAKTERYSTYCZNYCH TEMPERATUR KRZEPNIĘCIA ŻELIWA CHROMOWEGO

Chemia - laboratorium

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

3. Przejścia fazowe pomiędzy trzema stanami skupienia materii:

Ćwiczenia do wykładu Fizyka Statystyczna i Termodynamika

PARAMETRY EUTEKTYCZNOŚCI ŻELIWA CHROMOWEGO Z DODATKAMI STOPOWYMI Ni, Mo, V i B

Entropia - obliczanie. Podsumowanie

Równowaga w dzie ciecz-ciecz. Ćwiczenie laboratoryjne nr 3

RÓWNOWAGI W UKŁADACH WIELOFAZOWYCH

Wykład 2. Anna Ptaszek. 7 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 2. Anna Ptaszek 1 / 1

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Wykład 10 Równowaga chemiczna

z = s f = = 0

Zadania treningowe na kolokwium

Odwracalność przemiany chemicznej

Obliczenia chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Właściwości koligatywne

Zastosowanie programu DICTRA do symulacji numerycznej przemian fazowych w stopach technicznych kontrolowanych procesem dyfuzji" Roman Kuziak

Termodynamiczne warunki krystalizacji

Badanie układu 4,4' - dwuheksyloksyazoksybenzen - 4,4' - azoksyanizol metodą termicznei analizy ró±nicowei

Podstawowe definicje

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Transkrypt:

Analiza termiczna Krzywe stygnięcia 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 T a e j n s x p b t c o f g h k l p d i m y z q u v r w α T B T A T E T k P = const Chem. Fiz. TCH II/10 1 Rozpatrując stygnięcie wzdłuż kolejnych izoplet widzimy: Izopleta dla X B =0: a-b stygnięcie cieczy; b-c krzepnięcie czystego A w temperaturze krzepnięcia T A ; c-d stygnięcie ciała stałego. Izopleta dla X B =0,2: e-f stygnięcie cieczy; f-g stygnięcie cieczy z wydzielaniem stałego A (punkt f odpowiada roztworowi nasyconemu) i zmianą składu cieczy; g-h równoczesne krzepnięcie pozostałego A i pozostałego B w temperaturze eutektycznej T E ; h-i stygnięcie ciała stałego. Izopleta dla X B =0,4: j-k stygnięcie cieczy; k-l równoczesne krzepnięcie A i B w temperaturze eutektycznej T E (izopleta odpowiada składowi eutektyku) l-m stygnięcie ciała stałego. Izopleta dla X B =0,6: n-o stygnięcie cieczy; o-p stygnięcie z krystalizacją czystego B i zmianą składu cieczy; p-q krzepnięcie eutektyku w temperaturze T E ; q-r stygnięcie ciała stałego. Izopleta dla X B =0,8: opis identyczny jak dla izoplety X B =0,6. Izopleta dla X B =1,0: opis identyczny jak dla izoplety X B =0,0 przy czym krzepnięcie czystego B zachodzi w temperaturze T B.

P = const Diagramy fazowe z tworzeniem związków (1) T A T AB a e b c a T B b d e c d Ga + As = GaAs f f stałya + ciecz eutektyk A + AB stałyab + ciecz Chem. Fiz. TCH II/10 2 T A temperatura topnienia substancji A, T B temperatura topnienia substancji B, T AB temperatura topnienia związku AB. AB to związek a nie mieszanina równomolowa! Zwróćmy uwagę, że jest to zawsze układ dwuskładnikowy, w związku z reakcją składniki niezależne są tylko dwa i tak też jest w każdym punkcie diagramu. Podobny wykres opisuje układ z tworzeniem arsenku galu GaAs: Ga + As = GaAs. Izopleta a -b -c -f opisuje: a -b studzenie cieczy, b -f stygnięcie z krystalizacją czystego B i zmianami składu roztworu nasyconego B w ciekłym AB, w punkcie f krzepnie eutektyk AB+B, poniżej f stygnie dwufazowe ciało stałe. Punkty d i e opisują skład obu faz w punkcie c (d czysty B, d roztwór nasycony B w AB, wzajemne ich proporcje ilościowe opisuje reguła dźwigni). Izopleta a-b-c-f opisuje: a-b studzenie cieczy, b-f stygnięcie z krystalizacją związku AB i zmianami składu roztworu nasyconego AB w ciekłym B, w punkcie f krzepnie eutektyk AB+B, poniżej f stygnie dwufazowe ciało stałe. Punkty d i e opisują skład obu faz w punkcie c (e czysty AB, d roztwór nasycony AB w B, wzajemne ich proporcje ilościowe opisuje reguła dźwigni).

Diagramy fazowe z tworzeniem związków (2) Stały K + roztwór nas. K w Na a b d c Stały Na + roztwór nas. Na w K eutektyk K + Na 2 K Topnienie niekongruentne Stały Na 2 K + roztwór nas. Na 2 K w K Chem. Fiz. TCH II/10 3 Topnienie niekongruentne, Na 2 K nie istnieje w fazie ciekłej! Spróbujmy omówić krzywe stygnięcia wzdłuż izoplet a, b i c. A jak to będzie wzdłuż d?

Diagramy fazowe z tworzeniem związków (3) eutektyki FeCl 3 2H 2 O FeCl 3 2½H 2 O FeCl 3 6H 2 O FeCl 3 3½H 2 O Chem. Fiz. TCH II/10 4 Istnieją tu cztery różne hydraty stałe. Jakie równowagi tworzą one z wodą ciekłą (roztworami FeCl 3 w wodzie lub wody w FeCl 3 )?

Diagramy fazowe z roztworami stałymi (1) Cu-Ni Roztwór ciekły 1 faza obszar współistnienia faz solidus solidus Roztwór stały 1 faza Chem. Fiz. TCH II/10 5 Rzadki przypadek nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności w fazie stałej!

Diagramy fazowe z roztworami stałymi (2) Cu-Al ciecz Roztwór stały (CuAl 2 w Cu) 1 faza obszar współistnienia cieczy i fazy stałej θ obszar współistnienia cieczy i fazy stałej α a Roztwór stały (Cu w CuAl 2 ) 1 faza CuAl 2 (58%Cu) Chem. Fiz. TCH II/10 6 Ograniczona wzajemna rozpuszczalność w fazie stałej. Rozważmy krzywą stygnięcia wzdłuż izoplety a. W jej ostatnim punkcie (licząc w dół) pojawi się faza θ. Ale będzie to raczej metastabilna (powolne przemiany w fazie stałej), przechłodzona faza α (miękka i plastyczna). Z upływem czasu dojdzie do hartowania stopu przez starzenie.

Układy trójskładnikowe (1). Trójkąt Gibbsa f + p = 5 d a b d d c Chem. Fiz. TCH II/10 7 Punkty w wierzchołkach oznaczonych literami oznaczają układy jednoskładnikowe (czyste składniki A, B i C). Punkty na liniach przeciwległych wierzchołkom A, B i C oznaczają układy dwuskładnikowe o zerowej zawartości składnika A, B lub C. Np. punkt a odpowiada 60%A, 40%B i 0%C (%A+%B+%C=100); punkt b odpowiada 0%A, 36%B i 64%C; punkt c odpowiada 28%A, 0%B i 72%C. Punkty leżące na liniach równoległych do boku przeciwległego do wierzchołków A, B i C odpowiadają stałej zawartości składnika A, B lub C. Np. punkty d i d odpowiadają składom po 20% składnika C (d ma poza tym 56%B i 24%A; d ma 26%B i 54%A). Punkty leżące na liniach wychodzących z wierzchołka A, B lub C oznaczają składy o stałej proporcji pozostałych dwóch składników. Np. punkty d i d. (d ma proporcję A:B równą 24:56=3:7=0,43 i dodatkowo 20%C; zaś d 11,1:26=0,43 i dodatkowo zawiera 62,9%C).

Układy trójskładnikowe (2). A i B wykazują ograniczoną wzajemną rozpuszczalność P=const, T=const 1 faza ciekła c e g S i h f a d b 2 fazy ciekłe Chem. Fiz. TCH II/10 8 Pozostałe dwie pary (B i C oraz A i C) rozpuszczają się w danych warunkach bez ograniczeń. Pomarańczowa krzywa nosi nazwę krzywej binodalnej. Linie łączące pary punktów a-b, c-d, e- f i g-h zwane są liniami wiążącymi lub konodami. Punkt S nosi nazwę punktu splotu. Dla pełnej charakterystyki (aby znaleźć punkty odpowiadające składom obu faz pozostających w równowadze wewnątrz obszaru ograniczonego krzywą binodalną) konieczna jest znajomość konod. Od linii a-b (oba składniki A i B tworzą dwie fazy) przechodzimy do kolejnych konod dodając składnika C i analizując fazy. Punkty a, c, e, g odpowiadają roztworowi nasyconemu A w cieczy złożonej z dwóch pozostałych składników (lub tylko B w punkcie a). Punkty b, d, f, h odpowiadają roztworowi nasyconemu B w cieczy złożonej z dwóch pozostałych składników (lub tylko A w punkcie b). Punkty leżące na konodach (np. i) dzielą się na obie fazy zgodnie z regułą dźwigni. Punkt S odpowiada roztworowi nasyconemu gdy dwie fazy mają identyczny skład, jest to roztwór nasycony owej jednej fazy A-B w C.

Układy trójskładnikowe (3). A i B wykazują ograniczoną wzajemną rozpuszczalność P=const, T=const 80 o C A = C 6 H 5 OH B = H 2 O C = (CH 3 ) 2 CO 30 o C Chem. Fiz. TCH II/10 9 Powyżej pewnej temperatury wszystkie 3 ciecze mieszają się ze sobą w dowolnym stosunku. Przekroje przez trójwymiarowe wykresy (wiele ułożonych na sobie trójkątów Gibbsa, każdy w górę przy coraz wyższej temperaturze) są często stosowane. Izotermy stanowią wtedy na nich warstwice. Można przedstawiać na nich np. układy trójskładnikowe z fazami stałymi.

Układy trójskładnikowe (4). P=const, T=const A = sól1 B = sól2 (wspólny jon z A) C = H 2 O Z R S Chem. Fiz. TCH II/10 10 Punkt R wyznaczamy z analizy Roztworu nasyconego. Punkt S z analizy składu Sumarycznego. Jeżeli konoda przechodzi przez wierzchołek A, to znaczy, że składnikiem stałym jest czysta sól 1 (można oczywiście wyznaczyć więcej konod dla dokładności i uzyskania pewności). Jeżeli pierwsza konoda nie przechodzi przez wierzchołek, to trzeba wyznaczyć więcej konod. W podanym przykładzie ich punkt zbieżności Z wskazuje, że drugą fazę stałą stanowi hydrat soli 2.

Układy trójskładnikowe (5). P=const, T=const A = sól1 B = sól2 (wspólny jon z A) C = H 2 O l o z n x y m w Chem. Fiz. TCH II/10 11 Izotermicznie odparowujemy wodę. Od punktu l do m mamy do czynienia z roztworem nienasyconym. W m istnieje już nasycony soli A. Od m do x wydziela się stała sól 1, zaś roztwór nasycony zmienia skład od m przez n do o. Począwszy od punktu o wydzielają się już obie sole równocześnie. Jeżeli skład całkowity jest y, to skład wydzielających się soli określa nam punkt z.

Prawo podziału Nernsta Dwa składniki (ciecze) o ograniczonej wzajemnej rozpuszczalności a trzeci składnik (ciecz) obecny w bardzo niewielkich ilościach. Stwierdzono empirycznie, że: c3, I = const = n jeżeli P i T = const c3, II Termodynamicznie: µ 3, I = µ 3, II zatem: a także: a ln a 0 µ 3, I + µ ln 3, I 3, II 0 RT ln a3, I = 3, II + RT a3, II 0 0 µ 3, II µ 3, I = = const gdy T=const RT Chem. Fiz. TCH II/10 12 Opisywany przypadek ma wielkie znaczenie praktyczne (chromatografia cieczowa!!!). n nie zależy od stosunku ilościowego obu faz (I i II) i całkowitej (niewielkiej) ilości substancji 3. Widać z ostatniego równania, że prawo podziału w postaci ze stężeniami jest prawem granicznym, bowiem musimy móc założyć, że współczynniki aktywności substancji 3 w obu fazach są równe 1.