1. Termodinamikai alapfogalmak Mire kell? A mindennapi gyakorlatban előforduló jelenségek (például fázisátalakulások, olvadás, dermedés, párolgás) értelmezéséhez,

Az előadások a következő témára: "1. Termodinamikai alapfogalmak Mire kell? A mindennapi gyakorlatban előforduló jelenségek (például fázisátalakulások, olvadás, dermedés, párolgás) értelmezéséhez,"— Előadás másolata:

1 1. Termodinamikai alapfogalmak Mire kell? A mindennapi gyakorlatban előforduló jelenségek (például fázisátalakulások, olvadás, dermedés, párolgás) értelmezéséhez, kvantitatív leírásához. Szerkezeti anyagok tulajdonságainak változása külső körülmények között (például hőtágulás). Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel). P, V, T  állapotjelzők S, H, E  állapotfüggvények

2 Belső energia Az entalpia Az entrópia S : a rendezetlenség mértékének jellemzésére szolgál az izoterm, reverzibilisen felvett hőt jelenti 1. Termodinamikai alapfogalmak

3 Az entrópia statisztikus értelmezése Az entrópia a termodinamikai állapot valószínűségének mértéke W=W 1 · W 2 · W 3 A rendszer entrópiája a részek entrópiájának összege: S = f(W) = f(W 1 W 2 W 3 …)=S 1 + S 2 + S 3 +… S = k · lnW Az entrópia az állapot termodinamikai valószínűségének logaritmusával arányos. k = Boltzmann állandó = R / N A R = egyetemes gázállandó, 1,986 cal/fok N A = Avogadro szám, 6,2 · 10 23 Minden folyamat, amely növeli az atomok, molekulák mozgási lehetőségét (például olvadás, párolgás, gázkiterjedés, diffúzió) az anyag entrópianövekedésével jár együtt. 1. Termodinamikai alapfogalmak

4 Az entrópia statisztikus értelmezése Példa: pontszerű rácshibák entrópiája 1. Termodinamikai alapfogalmak aholN: rácspontok száma, n: a hibahelyek száma.

5 1. Termodinamikai alapfogalmak Szabadentalpia (G): az entalpia munkavégzésre alkalmas része

6 Entalpia, szabadentalpia, entrópia változása a hőmérséklettel 1. Termodinamikai alapfogalmak

7 Az átalakulások iránya G 1 : kezdeti állapot G 2 : végállapot 1. Termodinamikai alapfogalmak

8 A termodinamikai egyensúly és a szabadentalpia egyensúly: nincs változás ( P, T = konstans) adott P, T körülmények között G -nek nincs alacsonyabb értéke dG = 0 AB G atomi konfigurációk 1. Termodinamikai alapfogalmak

9 Fázisátalakulás

10 Szabadentalpia, G Hőmérséklet (°C) 0 víz jég víz jég ΔG A H 2 O szabadenergiája a hőmérséklet függvényében 1. Termodinamikai alapfogalmak

11 Fázisátalakulás: olvadék  szilárd (lásd: H 2 O megfagyása) Megszilárdulás (kristályosodás) 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

12 A H 2 O sematikus fázisdiagramja 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

13 A kémiai összetétel hatása a termodinamikai állapotfüggvényekre – Elegyedési entalpia Elegyedési entalpia 2. Egyensúlyi fázisdiagramok H= H i + H e H i = xH A + (1-x)H B összetevők entalpiájának súlyozott összege elegyedési entalpia koncentráció

14 Elegyedési entrópia 2. Egyensúlyi fázisdiagramok ahol n=xN

15 A kémiai összetétel hatása a termodinamikai állapotfüggvényekre 2. Egyensúlyi fázisdiagramok 0 T·SeT·Se HeHe GeGe 0 T·SeT·Se HeHe GeGe  G e =  H e - T·  S e negatív oldódási entalpiapozitív oldódási entalpia

16 A szilárd oldatok fázisdiagramja és a megszilárdulás mechanizmusa A két alkotó (komponens) olvadék és szilárd fázisban egyaránt korlátlanul oldódik egymásban. 2. Egyensúlyi fázisdiagramok G T2T2 G olv G szil AB

17 AB T T szilárd oldat olvadék olv. + szil. szolidusz likvidusz A szilárd oldatok fázisdiagramja és a megszilárdulás mechanizmusa A két alkotó (komponens) olvadék és szilárd fázisban egyaránt korlátlanul oldódik egymásban. 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

18 Milyen legfontosabb típusaik vannak? 1. Szilárd oldatok Amelyekben az elegyedés korlátlan. Feltételei a Hume-Rothary szabályok teljesülése, minden összetételnél azonos fázis van azonos kristályszerkezettel. 1.Eutektikus rendszerek két alcsoport: szilárd állapotban egyáltalán nincs oldódás szilárd állapotban korlátos oldódás van 1.Vegyületképző rendszerek 2.Peritektikus rendszerek 3.Monotektikus rendszerek 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

19 Szilárd oldatok képződésének feltételei (Hume-Rothary) A korlátlan elegyedés feltételei atomi átmérők különbsége: maximum 15% azonos vegyérték elektronegativitásuk közel azonos azonos rácsszerkezet Szilárd oldat helyettesítéses (szubsztitúciós) rácsközi (interstíciós) rendezett rendezetlen 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

20 A mérlegszabály, a fázisok tömegaránya 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

21 Az eutektikus összetétel, az eutektikus kristályosodás Eutektikus: könnyen olvadó. Kiemelkedő jelentőségűek: szerkezeti anyagok; kompozitok; acélokban lejátszódó folyamatok megértése szempontjából. Lényege: kémiailag homogén fázisból egyidejűen egymástól és a kiinduló fázis összetételétől is eltérő összetételű (és kristályszerkezetű) fázis keletkezik. „Csatolt kristályövekedés.” 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

22 Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban nem oldódó komponensekkel Az eutektikus megszilárdulás (csatolt kristálynövekedés olvadékból) 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

23 Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban korlátoltan oldódó komponensekkel 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

24 Az eutektikus megszilárdulás mechanizmusa 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

25 Vegyület kristályosodásának nyílt maximumos diagramja 2. Egyensúlyi fázisdiagramok

26 3. Nem egyensúlyi átalakulások

27