Structura starii solide, lichide si gazoase

STRUCTURA STARII SOLIDE, LICHIDE SI GAZOASE

Obtinerea pieselor din aliaje metalice prin turnare implica topirea aliajelor, turnarea acestora in forme avand cavitati corespunzatoare geometriei piesei, urmata de solidificarea si racirea pieselor. Structura primara a pieselor turnate e influentata de structura si proprietatile aliajelor in stare lichida si chiar de structura in stare solida existenta anterior topirii, fenomen cunoscut sub denumirea de ereditate structurala. Acest fenomen se explica prin caracteristicile structurii in stare lichida si mecanismul formarii acesteia in procesul de topire.

a. Structura starii solide a metalelor si a aliajelor este o structura cristalina. Metalele si aliajele sunt constituite dintr-un numar mare de cristale de dimensiuni mici (de ordinul 10-100mm) orientate la intamplare. In interiorul cristalelor, atomii sunt dispusi intr-o ordine bine definita numita retea cristalina. Intre atomii din reteaua cristalina se exercita trei tipuri de forte: forte de atractie, forte de respingere si forte de orientare. Existenta acestor forte este demonstrata de rezistenta opusa de cristale la intindere, la compresiune si de asezarea ordonata a atomilor. Fortele de atractie si de respingere se exercita pe distante relativ mari, in timp ce fortele de orientare au o raza mica de actiune. Daca distanta dintre atomi se mareste cu 2,5-3%, ordinea cristalina se deterioreaza, ceea ce pune in evidenta iesirea atomilor din sfera de actiune a fortelor de orientare.

Cristalele au dimensiuni mari comparativ cu dimensiunile atomilor. Numarul de atomi asezati ordonat de-a lungul unei directii intr-un cristal este foarte mare. De exemplu, considerand latura unui cristal l=10mm, iar parametrul retelei cristaline l 10^-8mm =2,5A, numarul de atomi orientati pe o directie este n = l/l 10⁵. Din aceasta cauza se considera ca structura cristalina a starii solide se caracterizeaza printr-o ordine indepartata (adica ordinea de aranjare a atomilor se mentine pe distante mari in raport cu marimea parametrului retelei cristaline).

Fortele de atractie si de respingere scad cu cresterea distantei dintre atomi. Variatia acestor forte cu distanta dintre atomi este diferita. Pozitia de echilibru din nodurile retelei cristaline corespunde echilibrului dintre fortele de atractie si de respingere. La distante mai mici sunt mai puternice fortele de respingere, iar la distante mai mari sunt mai puternice fortele de atractie. Variatia fortelor interatomice de atractie si de respingere cu distanta dintre atomi este reprezentata in figura 1.1. De asemenea este reprezentata si variatia energiei potentiale a atomilor determinata de campul de forte din jurul lor.

Atomii din reteaua cristalina nu stau in pozitii fixe in nodurile retelei. Datorita perturbatiilor mediului inconjurator si a transmiterii acestor perturbatii in masa cristalului de la un atom la altul, atomii executa mici oscilatii in jurul pozitiei de echilibru. Aceste oscilatii sunt determinate de faptul ca asupra unui atom scos din pozitia de echilibru actioneaza forta rezultanta dintre forta de atractie si forta de respingere ( F= F_r + F_a ) care intotdeauna este orientata spre pozitia de echilibru. Se poate aprecia ca forta rezultanta este proportionala cu distanta "x" fata de pozitia de echilibru ( F=kx ) si este deci de tip cvasielastic.

In timpul miscarii oscilatorii a atomilor in jurul pozitiei de echilibru , atomii poseda energie cinetica (Ec), cat si potentiala (Ep). Energia totala a unui atom reprezinta suma celor doua forme de energie. Energia medie a unui atom care executa oscilatii in trei directii (avand trei grade de libertate), este q_{m =} (3/2)kT, unde k este constanta lui Boltzman.

Energia termica (energia totala) a unui cristal reprezinta suma energiei totale a atomilor cristalului. Energia termica a unui cristal nu este repartizata uniform intre atomi. Datorita interactiunii dintre atomii invecinati, energia fiecarui atom se schimba permanent. Astfel, energia unui atom poate avea valori foarte mici sau foarte mari.

Repartitia energiei intre atomi la un moment, se poate stabili pe baza legii lui Maxwell. Aceasta lege a fost stabilita pentru repartitia energiei cinetice intre moleculele unui gaz si este exprimata de relatia:

dN=   (1.1)

In aceasta relatie N reprezinta numarul total de molecule, dN este numarul de molecule avand viteza cuprinsa intre "v" si "v+dv"; m-masa moleculelor; T-temperatura gazului.

Aceasta relatie poate fi extinsa si asupra starii solide  pentru a reda repartitia energiei termice la atomii unui cristal. In acest scop este necesar ca dN sa se exprime in functie de energia totala a atomilor q si de variatia acestei energii dq. Se are in vedere considerentul ca in cazul gazelor, energia totala corespunde cu energia cinetica a particulelor, deoarece fortele de atractie sunt neglijabile. Ca urmare in relatia (1.1) se fac urmatoarele inlocuiri:

q= ,    v= , dv=, (1.2)

Se obtine:

dN= (1.3)

Curba reprezentativa a solutiei acestei ecuatii diferentiale are forma din figura 1.

Figura 1.2 Reprezentarea energiei la atomii din reteaua cristalina a unui cristal

Din aceasta reprezentare rezulta ca in reteaua cristalina exista in orice moment atomi care au energii peste valoarea medie, care pot sa invinga fortele de orientare si sa paraseasca pozitiile de echilibru. Ei pot sa ocupe alte pozitii de echilibru in noduri invecinate, sau pozitii instabile in ochiuri ale retelei, cu conditia sa existe astfel de locuri. Energia necesara pentru a trece intr-o alta pozitie se numeste energie de activare, iar atomii care poseda aceasta energie se numesc atomi activati. La trecerea intr-o noua stare de echilibru, atomii activati cedeaza energia de activare altor atomi invecinati.

Energia de activare poate fi obtinuta de la ceilalti atomi pe baza repartitiei neuniforme a energiei intre atomi sau prin cresterea energiei medii a atomilor (q_m) prin incalzire.

b. Structura starii gazoase este mult diferita de cea a corpurilor solide. Gazele nu au nici volum nici forma proprie, avand proprietatea de a curge foarte usor ca urmare a diferentelor de presiune. Au compresibilitate foarte mare. Modelul teoretic ideal al gazelor presupune ca acestea sunt constituite din particule (molecule) punctiforme, intre care nu se exercita forte de interactiune, distanta dintre molecule fiind mare comparativ cu raza de actiune a fortelor interatomice. Moleculele se ciocnesc perfect elastic intre ele sau cu peretii incintei, iar intre doua ciocniri se deplaseaza rectiliniu uniform. Parametrii de stare ai gazelor ideale respecta legea Clapeyron Mendeleev:

pV=nRT   (1.4)

In cazul gazelor reale apar deosebiri de comportament deoarece volumul moleculelor nu mai este neglijabil comparativ cu volumul ocupat de gaz, iar fortele de interactiune nu mai sunt nici ele neglijabile. In cazul gazelor reale ecuatia de stare are forma:

(1.5)

Unde "b" este covolumul moleculelor , iar "a" constanta dependenta de fortele interatomice.

c. Structura starii lichide  este situata intre structura starii solide si a starii gazoase. Lichidele au volum propriu dar nu au forma proprie. Ele curg sub greutatea proprie, ceea ce pune in evidenta existenta unor forte de atractie mult mai reduse decat in starea solida. In schimb compresibilitatea lichidelor este mica, asemanatoare corpurilor solide. Ca urmare a acestor caracteristici, lichidele au fost considerate la inceput ca avand o structura mai apropiata de structura gazelor, fiind considerate gaze cu densitate mare. Ulterior s-a demonstrat ca structura lichidelor este mult mai apropiata de structura corpurilor solide, ele fiind caracterizate printr-o ordine apropiata de aranjare a atomilor . Mai recent structura starii lichide se explica pe baza functiilor de corelatie.

Se considera ca lichidele se caracterizeaza printr-o ordine apropiata de aranjare a atomilor care se formeaza si se deterioreaza intr-un timp de relaxare "t_o". De asemenea numarul atomilor invecinati ordonati in jurul unui atom este mai mic decat in stare solida.

La topirea metalelor si aliajelor volumul creste cu 3-5%. Aceasta corespunde unei cresteri a distantei dintre atomi cu 1-1,5%. Aceasta crestere a distantei face ca atomii sa ajunga la limita de manifestare a fortelor de orientare. In timpul oscilatiei atomilor in jurul pozitiei de echilibru intre unii atomi distanta creste peste limita de exercitare a fortelor de orientare, in timp ce intre alti atomi distanta se mentine mai mica, iar fortele de orientare isi mentine efectul. In locurile unde distanta dintre atomi este mai mare decat raza de actiune a fortelor de orientare, ordinea cristalina se deterioreaza. Astfel ordinea cristalina se pastreaza pe distante mici, comparabile cu distantele interatomice. Datorita oscilatiei atomilor, distantele dintre atomii invecinati se maresc si se micsoreaza periodic. In locurile unde momentan distantele scad sub valoarea razei de actiune a fortelor de orientare, ordinea cristalina se reface.

In lichide se exercita de asemenea forte interatomice de atractie si de respingere ca in starea solida. Fortele de atractie sunt insa mult mai mici ceea ce determina deformabilitatea si capacitatea de curgere a acestora. Cercetarile efectuate cu raze X asupra structurii lichidelor a pus in evidenta aceste ipoteze si anume distanta mai mare dintre atomi si numarul de coordinatie mai mic.