4.5. Термодинамика на разтворите
4.5.1. Общи понятия за разтвори
В металургията и материалознанието разтворите на базата на метали обикновено се наричат сплави. Веществата, които образуват разтвор (сплав), се наричат компоненти на разтвора. Количествената характеристика на веществото, като се вземе предвид целият състав на разтвора, се нарича концентрация. Тъй като съотношенията на компонентите в разтвора - техните концентрации - могат да варират в определен диапазон
зона, като същевременно разтворът се запазва като независима фаза, след това се раз-
продуктите са фази с променлив състав.
Ако едно от веществата в разтвора е значително по-голямо от останалите, тогава се говори за разтвор на останалите вещества в това преобладаващо вещество - разтворител. За разтвори на твърди вещества (твърди разтвори), особено в материалознанието и металургията, разтворителят се нарича матрица (основа на сплавта). Всички други вещества, с изключение на основното - разтворителя или матрицата - се наричат или легиращи елементи, или примеси. леги-
Управляващите елементи са вещества, въведени в разтвора целенасочено, до определено ниво, и за да променят свойствата на матрицата, да повлияят на свойствата на разтвора.
Основният физичен фактор при образуването на разтвор е, че в сравнение с чистите вещества, силовият ефект върху частиците на компонентите се променя. Външно това се проявява в освобождаването или абсорбирането на топлинна енергия в процеса на разтваряне. Когато се образува разтвор, всяко вещество, което го съставя, започва да заема по-голям обем пространство, отколкото е било характерно за него в чист вид. Освен това обемът на получения разтвор може да се различава от сумата на обемите на чистите изходни компоненти. Математически, промяната в енергийното и пространственото състояние на системата трябва да се изрази в промяна в стойностите на термодинамичнитеколичества. Следователно състоянието на даден компонент в разтвора е принципно ново състояние, различно от състоянието му като чисто вещество.
Нека разгледаме елементарните особености на описанието на разтворите именно като нов клас вещества.
Естествено, когато се описват разтвори, се запазват прости термодинамични променливи: температура T, налягане p, обем V. Но за разтворите, като фази с променлив състав, за количествено описание на състава се появяват нови прости термодинамични променливи - концентрации. За численото описание на концентрациите в теоретичните работи най-често се използват моларни или атомни фракции x i, определени от израза:
Тук m i е масата на компонента в разтвора; M i е молекулната (атомна) маса на това вещество и следователно m i / M i е броят молове на компонента в произволно количество разтвор.
Очевидно Σ x i = 1. Това е най-простото условие за нормализиране и прави използването на атомни или молни фракции най-често срещаното в теоретичната работа. Но в практическата работа с метални, солни, шлакови и други металургични разтвори за приложни изчисления често се използва
Използват се и следните единици за концентрация:
Моларни или атомни проценти (Y mol.%, Y at.%):
Y mol.%, Y at.% \u003d 100 x i.
За да се разграничат някои проценти от други в текста, след числото се поставя знакът (mol.) в случай на моларни проценти, в случай на атомни - (at.).
Масови проценти (y%): y% = 100 m i / Σ m j.
Тук Σ m j е масата на разтвора. Масовият процент няма придружаващ знак.
4.5.2. Термодинамично описание на разтворите
Нека разгледаме какви други термодинамични променливи и функции (с изключение на концентрациите) са необходими за описание на свойствата на разтворите.На първо място, концепцията за моларни термодинамични функции е приложима за разтвора като цяло - вътрешна енергия, енталпия, ентропия, свободна енергия, отнесена към един мол разтвор. Под мол на разтвор се разбира масовото количество M на разтвор, съдържащ N A (числото на Авогадро) от молекули, в които всички компоненти на разтвора са представени пропорционално на техните молни фракции: M = Σ x i ·M i . Моларните стойности за целия разтвор се обозначават с главна буква с долен индекс "m", например: H m, S m, (от английски m olar).
Имайте предвид, че тъй като компонентите на разтвора на взаимно влияние са вещества с нови термодинамични свойства,
термодинамичните функции на разтвор в общия случай не са алгебрични суми на съответните функции за чисти компоненти. Следователно, за описание на компонентите на разтворите като вещества в ново състояние се използват частични моларни величини – вътрешна енергия, енталпия, ентропия, свободна енергия и др., отнесени към един мол от отделно вещество в разтвор. Частичните моларни стойности за компонентите на разтворите са обозначени със съответната главна буква.
виене с черта над него, например: H i , S i .
Частичните величини са аналог на моларните величини за чисти вещества, но характеризиращи дадено вещество в определено разпределение.
творческа работа със специфична концентрация. Следователно те са функции не само на двойка прости термодинамични променливи, но и на всички концентрации:
H i (T, P, x 1. x i. x n); S i (T, P, x 1,. x i. x n);
G i (T, P, x 1,. x i .. x n); V i (T, P, x 1,. x i. x n).
Въз основа на физическото значение на частични моларни количества (характеристики на компонентите на разтвора) и моларни количества (характеристики на целия разтвор), лесно евижте линейната връзка между тях: