Analiza termiczna

W tym artykule dowiesz się w jaki sposób otrzymuje się wykresy takie jak poniżej, o co w nich chodzi i w jakim celu się je tworzy. Krótko mówiąc dowiesz się wszystkiego czego potrzebujesz! No to do dzieła :)

Wykresy jak powyżej pokazują w jaki sposób zmienia się temperatura topnienia i krzepnięcia zależności od składu w układzie, w którym mieszamy ze sobą dwa składniki np. cynę i ołów. Oprócz tego na tego typu wykresach widać, że niektóre ciała już po zakrzepnięciu nadal zmieniają swoją strukturę tworząc różnego rodzaju fazy ciała stałego. Po co tworzy się tego typu wykresy? Na ich podstawie można wnioskować właściwości mechaniczne danego stopu, czy np. układ będzie charakteryzował się dużą twardością, a może innymi właściwościami mechanicznymi.

W jaki sposób otrzymuje się tego typu wykresy? Należy wykonać kilka lub kilkanaście próbek, w których należy zmieszać ze sobą 2 składniki w różnych proporcjach. Przykładowo może to być tak:

1 próbka 100% składnika A

2 próbka 50% składnika A + 50% składnika B

3 próbka 100% składnika B

Zwykle tych próbek byłoby znacznie więcej uwzględniając również inne proporcje jednego składnika do drugiego. Na potrzeby wytłumaczenia analizy termicznej taka ilość próbek nam wystarczy. Następnie każdą z próbek należy rozgrzać tak, żeby mieszaniny składników stopiły się tworząc jednolite roztwory. W omówieniu tego zagadnienia posłużę się diagramem fazowym charakteryzującym się pełną mieszalnością w fazie ciekłej i stałej. W pierwszej próbce przeanalizujmy najpierw układ gdy mamy 100% składnika A.

Zgodnie z wytycznymi pierwszą próbkę podgrzewamy aż układ się stopi, da jednolity roztwór. Następnie układ zaczynamy chłodzić a wszelkie zmiany nanosimy na wykresie temperatury w funkcji składu. Jak widzisz w pewnym miejscu krzywa się załamała. Temperatura przez pewien czas nie ulegała zmianie. Dopiero po upływie jakiegoś czasu temperatura znowu zaczęła spadać.   Z czego to wynika? W miejscu załamania układ zaczął krystalizować. Proces krystalizacji jest procesem egzotermicznym, czyli z wydzieleniem ciepła, dlatego na wykresie T=f(czas) w miejscu, w którym nastąpiła krystalizacja, spadek temperatury się zatrzymał. Po całkowitym wykrystalizowaniu układu temperatura znowu zaczyna spadać. Na wykresie temperatury w funkcji stężenia procentowego w miejscu gdzie mamy 100% składnika A w temperaturze, w której nastąpiła krystalizacja nanosimy czerwoną kropkę. Żeby zbyt bardzo Cię nie zanudzać dokładnie tymi samymi analizami, różniącymi się tylko składem początkowym, to zrobimy teraz mały skok i przeanalizujemy sytuację gdy w układzie mamy 50% składnika A i 50% składnika B.

W drugiej próbce gdy mamy 50% składnika A i składnika B widać, że mamy 2 razy załamanie na krzywej stygnięcia dlatego na wykresie T=f(C%) przy zawartości 50% jednego i drugiego składnika musieliśmy umieścić 2 kropki odpowiadające dwóm miejscom przegięcia. To załamanie ma miejsce, dlatego że układ zaczyna krystalizować. Pojawia się pierwszy kryształ. Wraz z procesem krystalizacji wydziela się ciepło przez co na wykresie T=f(czas) pojawia się załamanie. To załamanie będzie tak długo aż ostatnia kropla cieczy nie zakrzepnie. Gdy już się to stanie znowu następuje załamanie (układ już nie dostarcza dodatkowego ciepła z procesu krystalizacji),w wyniku czego temperatura układu w czasie spada znacznie szybciej.

Skracając trochę tę analizę przeanalizuję z Tobą jeszcze jeden pomiar, a mianowicie gdy w układzie mamy 100% składnika B. W miejscu załamania już wiesz, że następuje krystalizacja. Dlatego na wykresie T=f(C%)nanosimy czerwoną kropkę.  Tych pomiarów oczywiście powinno być więcej nie mniej jednak na potrzeby analizy tego problemu myślę, że to wystarczy.

Następnie trzeba te kropki ze sobą połączyć. Dzięki czemu otrzymujemy kompletny diagram fazowy.

Więcej na ten temat dowiesz się w moim kursie https://fizyka-kursy.pl/kurs/rownowagi-fazowe-w-ukladach-dwuskladnikowych omówiłem tam dużo więcej tego typu wykresów, a oprócz tego również policzyłem tam różne zadania z tym związane.