Физико-химические и металлургические

Процессы при сварке

Основные понятия и определения химической термодинамики

Сварка металлов всегда сопровождается химическими и физическими процессами. К ним относятся: фазовые превращения, растворение и осаждение в растворах, распад и образование химических соединений, диффузия, обменные реакции между контактирующими фазами. Характер физико-химических процессов зависит от режимов сварки и от свойств сварочных и вспомогательных материалов.

Базой для изучения физико-химических процессов является химическая термодинамика – наука об изменении и переходе энергии. Термодинамический анализ является первой стадией исследования, в которой определяется принципиальная возможность развития изучаемого процесса. Жизнеспособны лишь те процессы, которые совместимы с законами термодинамики.

Термодинамические расчеты позволяют получить информацию о фазовом и химическом составе разнообразных физико-химических систем в равновесном состоянии, т.е. в состоянии, к которому стремятся в своем развитии все физические и химические процессы.

Различные явления всегда находятся в сложной зависимости и связи со средой. Изучение отдельных сторон явлений требует мысленного отрыва их от естественных связей.

Комплекс физических тел, находящихся во взаимодействии между собой и мысленно обособленных от окружающей среды, называется термодинамической системой. Для термодинамической системы характерно большое количество частиц, что позволяет применять аппарат статистической физики для вывода основных законов термодинамики.

Термодинамической система ограничена контрольной поверхностью, в зависимости от свойств которой различают три типа термодинамических систем:

1. Изолированная – система на обменивается со средой ни энергией, ни массой (dm = 0, dE = 0).

2. Закрытая – система обменивается со средой только энергией (dm = 0, dE ≠ 0).

3. Незамкнутая – система обменивается как массой, так и энергией.

По строению термодинамические системы могут быть гомогенными или однородными, когда нет границ раздела между отдельными частями (газовые смеси, растворы) и гетерогенными, когда существуют границы раздела меду отдельными частицами системы – фазами.

Фаза – часть гетерогенной системы, отделенная границей резкого разделения свойств. Т.к. границы раздела обладают поверхностной энергией, то в системах с высокой дисперсностью поверхностные свойства будут влиять на состояние системы больше, чем объемные. Фазы могут отличаться химсоставом (металл–окисел) или агрегатным состоянием (вода – лед – пар).

Совокупность всех свойств термодинамической системы определяет ее состояние. Любая физическая величина, влияющая на состояние – объем, температура, давление и т.д. – называется термодинамическим параметром. Изменение во времени одного или нескольких параметров называется термодинамическим процессом. Процесс, после которого система приходит в исходное состояние, называется циклом.

Состояние термодинамической системы, характеризуемой постоянством во времени всех параметров, называется равновесием. Равновесие, при котором случайные изменения параметров заканчиваются переходом в первоначальное состояние, называется устойчивым. Механический анализ – шар в глубокой впадине. Равновесие неустойчиво (лабильно), если случайное изменение одного из параметров приводит к необратимым измененеям в системе с переходом в другое состояние (шар на выпуклой поверхности, пересыщенный раствор).

В основе термодинамики лежат два фундаментальных закона физики – закон сохранения энергии и закон одностороннего развития самопроизвольных процессов. Закон одностороннего развития выполняется только для большого числа частиц. Он подтверждается такими явлениями как переход теплоты от более нагретого к более холодному телу, перетекание газа в сосуд меньшим давлением, смешение веществ. Все остальные уравнения термодинамики устанавливаются из этих законов.