Eutektický systém - Eutectic system

A eutektický systém (/juːˈtɛktɪk/ joTEK-tik )[1] z řečtiny „εύ“ (eu = studna) a „τήξις“ (tēxis = tání) je homogenní směs látek, které taje nebo tuhne najednou teplota to je nižší než bod tání kterékoli ze složek.[2]
Eutektická teplota je nejnižší možná teplota tání ve všech směšovací poměry pro zúčastněné druhy.
Po zahřátí jakéhokoli jiného poměru směsi a dosažení eutektické teploty jedna složka mříž nejprve se roztaví, zatímco teplota směsi se musí dále zvyšovat, aby se roztavila (všechny) mřížky ostatních složek. Naopak, když se neeutektická směs ochladí, složka každé směsi ztuhne (vytvoří svou mřížku) při odlišné teplotě, dokud nebude veškerý materiál pevný.
Souřadnice definující a eutektický bod na fázový diagram jsou eutektický procentní poměr (na atomový / molekulární poměr osa (Osa X) diagramu) a eutektická teplota (na Y osa diagramu).[3]
Ne vše binární slitiny mají eutektické body, protože valenční elektrony složky nejsou vždy kompatibilní,[je zapotřebí objasnění ] v jakémkoli směšovacím poměru, k vytvoření nového typu společné krystalové mřížky. Například v systému stříbro-zlato teplota tání (likvidní ) a teplota mrazu (solidus ) "setkat se v koncových bodech čistého prvku na ose atomového poměru, zatímco se mírně oddělit v oblasti směsi této osy".[4]
Termín eutektický byl vytvořen v roce 1884 britským fyzikem a chemikem Frederick Guthrie (1833–1886).[5]
Eutektický fázový přechod

Eutektické tuhnutí je definováno následovně:[6]
Tento typ reakce je invariantní reakce, protože je v tepelná rovnováha; dalším způsobem, jak to definovat, je změna v Gibbsova volná energie se rovná nule. Hmatatelně to znamená kapalina a dva pevná řešení všichni koexistují současně a jsou v chemická rovnováha. Je tam také tepelná ochrana po dobu změny fáze, během které se nemění teplota systému.[6]
Výsledná pevná látka makrostruktura z eutektické reakce závisí na několika faktorech. Nejdůležitějším faktorem je to, jak tato dvě pevná řešení nukleují a rostou. Nejběžnější struktura je a lamelová struktura, ale další možné struktury zahrnují tyčovité, kulové a jehlicovitý.[7]
Neeutektické kompozice
Složení eutektických systémů, které nejsou v eutektickém složení, lze klasifikovat jako hypoeutektický nebo hypereutektický. Hypoeutektické prostředky jsou ty, které mají menší procento složení druhu β a větší složení druhu α než eutektické složení (E), zatímco hypereutektické roztoky jsou charakterizovány jako roztoky s vyšším složením druhu β a nižším složením druhu α než eutektické složení. Jak je teplota neeutektické směsi snížena, kapalná směs vysráží jednu složku směsi před druhou. V hypereutektickém roztoku bude proeutektoidní fáze druhu β, zatímco hypoeutektické řešení bude mít proeutektickou α fázi.[6]
Typy
Slitiny
Eutektický slitiny mají dva nebo více materiálů a mají eutektické složení. Když neeutektická slitina ztuhne, její složky tuhnou při různých teplotách, což vykazuje rozsah tání plastů. Naopak, když se dobře promíchaná eutektická slitina roztaví, činí to při jediné ostré teplotě. Různé fázové transformace, ke kterým dochází během tuhnutí konkrétního složení slitiny, lze pochopit nakreslením svislé čáry z kapalné fáze do pevné fáze na fázovém diagramu pro danou slitinu.
Některá použití zahrnují:
- Relé proti přetížení eutektické slitiny NEMA pro elektrická ochrana 3fázových motorů pro čerpadla, ventilátory, dopravníky a další tovární procesní zařízení.[8]
- Eutektické slitiny pro pájení, složen z cín (Sn), Vést (Pb) a někdy stříbrný (Ag) nebo zlato (Au) - zvláště Sn63Pb37 slitinový vzorec pro elektroniku
- Slévárenské slitiny, jako např hliník-křemík a litina (ve složení 4,3% uhlíku v železe produkujícím austenit -cementit eutektický)
- Křemíkové čipy jsou spojeny s pozlacenými substráty prostřednictvím eutektika křemíku a zlata aplikací ultrazvukové energie do čipu. Vidět eutektická vazba.
- Pájení na tvrdo, kde difúze může odstranit legující prvky ze spoje, takže eutektické tavení je možné pouze na začátku procesu pájení natvrdo
- Teplotní odezva, např. Woodův kov a Fieldův kov pro protipožární postřikovače
- Netoxický rtuť náhrady, jako např galinstan
- Experimentální skelné kovy, s extrémně vysokou pevností a koroze odpor
- Eutektické slitiny sodík a draslík (NaK ), které jsou kapalné při pokojové teplotě a používají se jako chladicí kapalina experimentálně rychlé neutronové jaderné reaktory.
Ostatní

- Chlorid sodný a voda tvoří eutektickou směs, jejíž eutektický bod je -21,2 ° C[9] a 23,3% hmotn. soli.[10] Eutektická povaha soli a vody je využívána, když se na silnici šíří sůl odklízení sněhu, nebo smíchané s ledem za vzniku nízkých teplot (například v tradičních zmrzlina tvorba).
- Ethanol – voda má neobvykle vychýlený eutektický bod, tj. Je blízký čistému ethanolu, což stanoví maximální důkaz dosažitelný částečné zmrazení.
- „Solná sůl“, 60% NaNO3 a 40% KNO3, tvoří eutektickou směs roztavené soli, která se používá pro skladování tepelné energie v koncentrovaná solární energie rostliny.[11] Aby se snížila eutektická teplota tání solárních roztavených solí, dusičnan vápenatý se používá v následujícím poměru: 42% Ca (NO3)2, 43% KNO3, a 15% NaNO3.
- Lidokain a prilokain —Oboje jsou pevné látky při teplotě místnosti - tvoří eutektikum, což je olej s teplotou tání 16 ° C (61 ° F), který se používá v eutektická směs lokálního anestetika (EMLA) přípravky.
- Mentol a kafr, obě pevné látky při teplotě místnosti, tvoří eutektikum, což je kapalina při teplotě místnosti v následujících poměrech: 8: 2, 7: 3, 6: 4 a 5: 5. Obě látky jsou běžnými přísadami v přípravcích pro okamžité použití ve farmacii.[12]
- Minerály mohou tvořit eutektické směsi v ohnivý horniny, které dávají vzniknout charakteristice intergrowth textury vystavoval například granophyre.[13]
- Některé inkousty jsou eutektické směsi, což umožňuje inkoustové tiskárny pracovat při nižších teplotách.[14]
Další kritické body

Eutektoid
Když je řešení nad transformačním bodem pevné, nikoli kapalné, může dojít k analogické eutektoidní transformaci. Například v systému železo-uhlík je austenit fáze může podstoupit eutektoidní transformaci ferit a cementit, často v lamelárních strukturách, jako je perlit a bainit. Tento eutektoidní bod se vyskytuje při 723 ° C (1333 ° F) a přibližně 0,8% uhlíku.[15]
Peritektoid
A peritektoid transformace je typ izotermický reverzibilní reakce který má dva pevné fáze vzájemná reakce při ochlazení binárního, ternárního, ..., -ary slitina vytvořit úplně jinou a jedinou pevnou fázi.[16] Reakce hraje klíčovou roli v pořadí a rozklad z kvazikrystalický fáze v několika typech slitin.[17] Podobný strukturální přechod se také předpovídá rotující sloupcovité krystaly.
Peritektické

Peritektické transformace jsou také podobné eutektickým reakcím. Zde kapalná a pevná fáze pevných podílů reaguje při pevné teplotě za vzniku jediné pevné fáze. Jelikož se pevný produkt tvoří na rozhraní mezi dvěma reaktanty, může tvořit difúzní bariéru a obecně způsobuje, že takové reakce probíhají mnohem pomaleji než eutektické nebo eutektoidní transformace. Z tohoto důvodu, když peritektická kompozice ztuhne, nevykazuje lamelová struktura který se nachází při eutektickém tuhnutí.
Taková transformace existuje v systému železo-uhlík, jak je vidět v levém horním rohu obrázku. Připomíná to obrácené eutektikum, přičemž fáze δ se kombinuje s kapalinou za vzniku čisté austenit při 1495 ° C (2723 ° F) a 0,17% uhlíku.
Při teplotě peritektického rozkladu se sloučenina místo tání rozkládá na jinou pevnou sloučeninu a kapalinu. Jejich podíl je určen pravidlo páky. V Al-Au fázový diagram, například je vidět, že pouze dvě z fází se shodují, AuAl2 a Au2Al , zatímco zbytek se peritekticky rozkládá.
Eutektický výpočet
Složení a teplotu eutektika lze vypočítat z entalpie a entropie fúze jednotlivých složek.[18]
Gibbsova volná energie G záleží na vlastním diferenciálu:
To znamená, že G/T derivace při konstantním tlaku se vypočítá podle následující rovnice:
Chemický potenciál se vypočítá, pokud předpokládáme, že aktivita se rovná koncentraci:
V rovnováze , tím pádem se získá jako
Použitím[je zapotřebí objasnění ] a integrace dává
Integrační konstanta K. může být stanoveno pro čistou složku s teplotou tání a entalpie fúze :
Získáváme vztah, který určuje molární zlomek jako funkci teploty pro každou složku:
Směs n komponenty popisuje systém
který lze vyřešit pomocí
Viz také
- Azeotrop nebo směs s konstantní teplotou varu
- Deprese bodu mrazu
Reference
- ^ "eutektický". Slovník Merriam-Webster.
- ^ Guthrie, F. (1884). „Na Eutexii“. Fyzická společnost: 462–482.
- ^ Smith & Hashemi 2006, s. 326–327
- ^ "Shromažďování fázových diagramů". www.crct.polymtl.ca.
- ^ Guthrie, Frederick (1884) „O eutexii“, Filozofický časopis, 5. série, 17 : 462–482. Od p. 462: „Hlavní argument tohoto sdělení závisí na existenci složených těl, jejichž hlavní charakteristikou je nízká teplota jejich fúze. Tuto vlastnost těl lze nazvat Eutexia †, těly, která ji vlastní, eutektická těla nebo eutektika (εύ τήκειν)."
- ^ A b C Smith & Hashemi 2006, str. 327.
- ^ Smith & Hashemi 2006, str. 332–333.
- ^ „Provoz přetížení“. Citováno 2015-08-05.
- ^ Muldrew, Ken; Locksley E. McGann (1997). "Fázové diagramy". Kryobiologie - krátký kurz. University of Calgary. Archivovány od originál dne 2006-06-15. Citováno 2006-04-29.
- ^ Senese, Fred (1999). „Roztahuje se slaná voda stejně dobře jako sladká voda, když zmrzne?“. Řešení: Často kladené otázky. Katedra chemie, Frostburg State University. Citováno 2006-04-29.
- ^ "Vlastnosti roztavených solí". Specifikace solárních elektráren Archimede.
- ^ Phaechamud, Thawatchai; Tuntarawongsa, Sarun; Charoensuksai, Purin (říjen 2016). „Chování při odpařování a charakterizace eutektického rozpouštědla a eutektického roztoku ibuprofenu“. AAPS PharmSciTech. 17 (5): 1213–1220. doi:10.1208 / s12249-015-0459-x. ISSN 1530-9932. PMID 26669887.
- ^ Fichter, Lynn S. (2000). „Schémata magmatické fáze“. Magmatické skály. Univerzita Jamese Madisona. Citováno 2006-04-29.
- ^ Davies, Nicholas A .; Beatrice M. Nicholas (1992). „Eutektické směsi pro tryskové inkousty tavené za tepla“. Americký úřad pro patenty a ochranné známky, patentovaná databáze plného textu a obrázků. Úřad pro patenty a ochranné známky Spojených států. Citováno 2006-04-29.
- ^ „Příklad fázového diagramu železo-železo“. Archivovány od originál (PDF) dne 2008-02-16.
- ^ IUPAC Kompendium chemické terminologie, elektronická verze. „Peritektoidní reakce“ Citováno 22. května 2007.
- ^ Numerický model transformace peritektoidů. Transformace peritektoidů Citováno 22. května 2007. Archivováno 28. Září 2007, na Wayback Machine
- ^ International Journal of Modern Physics C, sv. 15, č. 5. (2004), s. 675–687.
Bibliografie
- Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Základy materiálových věd a inženýrství (4. vydání), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.
Další čtení
- Askeland, Donald R .; Pradeep P. Phule (2005). Věda a inženýrství materiálů. Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8.
- Easterling, Edward (1992). Fázové transformace v kovech a slitinách. CRC. ISBN 978-0-7487-5741-1.
- Mortimer, Robert G. (2000). Fyzikální chemie. Akademický tisk. ISBN 978-0-12-508345-4.
- Reed-Hill, R.E .; Reza Abbaschian (1992). Principy fyzikální metalurgie. Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-92173-6.
- Sadoway, Donalde (2004). „Fázové rovnováhy a fázové diagramy“ (PDF). 3.091 Úvod do chemie pevných látek, podzim 2004. MIT Open Courseware. Archivovány od originál (PDF) dne 2005-10-20. Citováno 2006-04-12.