8

1. Структурно-фазовые состояния веществ

1. Основные понятия системы, фазы и структуры в материаловедении.

Материаловедение - наука о строении и свойствах материалов, а также о влиянии на свой­ства внешних воздействий или факторов.

Предмет - строение и свойства материалов, применяемых в производстве товаров.

Задачи - установление взаимосвязи структуры и свойств для рационального выбора мате­риалов, совершенствования процессов их обработки и обеспечения требуемых качеств продук­ции, а также для создания материалов с заданными свойствами.

В материаловедении используются понятия «система», «фаза», «структура».

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других частей замкнутыми поверхностя­ми. Фазовые части системы, имеют одинаковый состав, строение, свойства, агрегатное состояние.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз (если их больше одной) в материалах. Различают макроструктуру (строение, видимое невооруженным глазом) и микроструктуру, которую наблюдают с использованием оптических (до 200 нм) или электронных (до 0,1 нм) микроскопов.

Система считается неоднородной, если она содержит различные по своей природе части, размеры которых значительно превышают средние размеры атомов и молекул.

Фаза может состоять из одного вещества, например, вода-жидкость или вода - лед, или из нескольких веществ, например, водный раствор сахара, спиртовой раствор бензола.

Число веществ, входящих в состав фазы называют числом компонентов. Число компонен­тов - это наименьшее число веществ, с помощью которых можно выразить состав любой фазы.

Компоненты в фазе содержатся в определенной концентрации, которую выражают в до­лях. Сумма долей всех компонентов в данной фазе равна единице:

N1 +N2 + N3 + ... +N_k= 1,

где N1, N2, N3 ... - доля соответственно 1-го, 2-го, 3-го и k-го компонента фазы.

В зависимости от внешних условий (температуры, давления), почти каждое вещество мо­жет находиться в одном из агрегатных (фазовых) состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Для любого вещества существуют такие значения параметров: температуры, давления, объема, которые называются критическими, а состояние, соответствующее критическим пара­метрам называется критическим состоянием или критической точкой.

Критическая точка является точкой фазового перехода второго рода или точкой фазового перехода первого рода. Критическая точка характеризуется рядом физических явлений (напри­мер, бесконечная сжимаемость, бесконечная теплоемкость при постоянном объеме и т.д.).

2. Газообразное и плазменное состояния веществ.

Газообразное состояние характеризуется малыми силами взаимодействия между молеку­лами, которые находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга, вследствие чего газ занимает весь предоставленный ему объем.

Если газ очень разрежен, расстояния между молекулами очень велики, молекулярные си­лы взаимодействия ничтожно малы, объем молекул составляет ничтожно малую часть объема, занимаемого газом, и межмолекулярных соударений практически не происходит, то такой газ на­зывается идеальным. Его состояние описывают объединенным газовым законом:

P1V1/T1=P2V2/T2

где Р - давление; V - объем; Т - абсолютная температура.

Для одного моль при нормальных условиях (н.у.) этот закон будет иметь вид

PV = RT.

Для n молей газа оно становится таким: PV = nRT. Данное уравнение носит название уравнения Менделеева-Клапейрона.

У реальных газов наблюдаются отклонения значений Р и V от значений для идеальных га­зов. Эти отклонения растут с увеличением давления и с понижением температуры. На свойства газа начинают влиять межмолекулярные силы взаимодействия и объем, занимаемый самими мо­лекулами, и в этом случае свойства газов описывают уравнением Ван-дер-Ваальса.

При понижении температуры и при повышении давления газ начинает конденсироваться и под действием сил между молекулами переходит в жидкое состояние. Процесс конденсации га­зов сопровождается значительным выделением энергии.

Плазменное состояние образуется при очень высоких температурах (10⁴ К и выше). В ве­ществе происходит диссоциация молекул с образованием ионов и свободных электронов, т.е. происходит частичное или полное разрушение электронных оболочек атомов.

Плазму можно характеризовать как разновидность газового состояния вещества, обла­дающего высокой электропроводностью и другими специфическими свойствами. В этом состоя­нии движение частиц вещества наиболее хаотично.

Существует также понятие низкотемпературной слабоионизированной плазмы (содержа­щей ионы, электроны и нейтральные атомы), которая образуется при дуговом или тлеющем раз­ряде при электронной или ионной бомбардировке молекул газов в вакууме и т.д.

Плазма подчиняется газовым законам, но основное отличие ее от обычных газов проявля­ется при воздействии электрических и магнитных полей.