Презентация - Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ТЕРМОДИНАМИКА

КОМПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМ

Термодинамика систем с поверхностями раздела

Обобщенное уравнение термодинамики для систем

с поверхностями раздела

Термодинамические функции для систем с

межфазными границами раздела

Условие равновесия на фазовой границе с ненулевой

кривизной. Формула Лапласа

Основные термодинамические представления о

совместимости материалов

Влияние легирующих добавок на стабильность

волокнистого композита

Обобщенное уравнение термодинамики для

систем с поверхностями раздела

dG = -SdT+ VdP+σdA + Σµi dNi + ϕdq,

G - энергия Гиббса;

S - энтропия;

Т - температура;

V - объем;

Р - давление;

σ - поверхностное натяжение;

А - площадь поверхности;

µi , Ni - химический потенциал и число частиц в системе

(атомов, молей) i-го компонента;

ϕ- электрический потенциал;

ϕq - количество электричества.

Термодинамика композиционных систем

Содержание основных законов

классической термодинамики

Согласно первому началу термодинамики количество теплоты

Q, поглощенной системой из внешней среды, идет на

увеличение ее внутренней энергии dU и совершение общей

работы

Q = dU+

Уравнение выражает закон сохранения энергии (в применении к

термодинамическим процессам)

Величина, вводимая вторым началом термодинамики, является

энтропия S - физическая величина, характеризующая тепловое

состояние тела

dS=

Q/T,

Q-

W= ΔU=U2-U1

Термодинамика композиционных систем

Термодинамические функции и их

дифференциалы

Основываясь на соотношении

хσ

p=σBVB[1-(1-β)/α]+σM(1-VB),

для системы с границей раздела фаз получаем

уравнения для термодинамических функций и их

дифференциалов:

U = TS-PV+µN+σA, dU = TdS-PdV+µdN+σdA;

H = TS +µN+σA, dH=TdS+ VdP+µdN+σdA;

F = -PV+µN+σA, dF=-SdT-PdV+µdN+σdA;

G = µN+σA, dG=-SdT+VdP+µdN+σdA;

Ω = -PV+σA dΩ=-SdT-PdV-Ndµ-+σdA

Термодинамика композиционных систем

Условие равновесия на фазовой

границе с ненулевой кривизной.

Формула Лапласа

Равновесие фаз имеет место в том случае, когда

температуры и химические потенциалы в фазах равны.

При этих условиях величина ΔР = P1 - P2 определяется

из минимума термодинамического потенциала системы,

записанного с учетом граничной энергии:

Ω=-Р1V1-Р2V2+

12А,

где σ12 -поверхностная энергия на границе фаз; А -

площадь поверхности границы между фазами.

Из условия dΩ = 0 при V1+V2 = const, следует

P1- P2 =

12dA/dV.

Термодинамика композиционных систем

Условие равновесия на фазовой

границе с ненулевой кривизной.

Формула Лапласа

Учитывая, что в любой точке межфазной граничной

поверхности

dA/dV = R-11+R-12,

где R1 и R2 - главные радиусы кривизны границы

раздела, формулу можно переписать в виде:

ΔP=

12(R-11+R-12).

Для R1=R2, т. е. для поверхности шара это,

выражение известно, как формула Лапласа:

ΔP=2

l2/R .

Термодинамика композиционных систем

Основные термодинамические

представления о совместимости

материалов

На основе термодинамического метода можно

определить:

 направленность процессов,

 возможность осуществления химических

реакций,

 определить влияние легирующих добавок на

межфазное взаимодействие,

а следовательно, оценить термодинамическую

стабильность изучаемой системы.

Термодинамика композиционных систем

Влияние легирующих добавок на

стабильность волокнистого

композита

Коэффициента влияния легирующих добавок:

(Л)

= Ω

В–Л

- (Ω

В–1

+ Ω

Л-1

) /R

где Ω

В-Л

, Ω

В-1

, Ω

Л-1

- параметры взаимодействия

регулярных бинарных растворов (соответственно,

волокно - легирующая добавка, волокно - основной

матричный металл, легирующая добавка - основной

матричный металл); R - универсальная газовая

постоянная.

Термодинамика композиционных систем

Влияние легирующих добавок на

стабильность волокнистого

композита

Коэффициента влияния легирующих добавок для

разбавленных растворов:

(Л)

≈ ΔH

В-Л

- ( ΔH

В-1

+ ΔH

Л-1

) / R,

где ΔH

В-Л

, ΔH

В-1

, ΔH

Л-1

- соответственно относительные

парциальные энтальпии растворения вещества волокна

в легирующем металле, вещества волокна в основном

матричном металле и легирующего элемента в

основном матричном металле.

Термодинамика композиционных систем

Вывод термодинамического

метода

Таким образом, на основе

термодинамического метода можно

 определить устойчивость композиции

волокно – матрица,

 оценить влияние легирующих добавок на

межфазное взаимодействие и устойчивость

композита.

Термодинамика композиционных систем