الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية أو التحولات الفيزيائية.
يمكن للتفاعل أن يطلق أو يمتص الطاقة ، وتغيير الطور يمكن أن يفعل الشيء نفسه ، كما هو الحال في الذوبان والغليان.
تركز الكيمياء الحرارية على تغييرات الطاقة هذه ، لا سيما تبادل الطاقة للنظام مع محيطه.
تُعد الكيمياء الحرارية مفيدة أيضًا للتنبؤ بكميات المواد المتفاعلة والمنتجات على مدار تفاعل معين.
بالاقتران مع قرارات الانتروبيا ، يتم استخدامه أيضًا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل تلقائيًا (عفويًا) أم لا.
تمتص التفاعلات الماصة للحرارة الحرارة ، بينما تطلق التفاعلات الطاردة للحرارة الحرارة.
تدمج الكيمياء الحرارية أيضًا مفاهيم الديناميكا الحرارية ، مع مفهوم الطاقة في شكل روابط كيميائية.
يتضمن هذا الموضوع عمومًا حسابات الكميات مثل السعة الحرارية ، وحرارة الاحتراق ، وحرارة التكوين ، والمحتوى الحراري ، والانتروبيا ، والطاقة الحرة ، والسعرات الحرارية.
تاريخ موجز للكيمياء الحرارية.
تعتمد الكيمياء الحرارية على تعميمين ، يتم التعبير عنه في المصطلحات الحديثة على النحو التالي:
- قانون لافوازييه ولابلاس (1780 م): تغيير الطاقة المرتبط بأي تحول مساوٍ ومعاكس لتغير الطاقة المرتبط بالعملية العكسية.
- قانون هيس (1840 م): تغيير الطاقة المرتبط بأي تحول هو نفسه سواء حدثت العملية في خطوة واحدة أو خطوات متعددة.
هذه العبارات سبقت وساعدت في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845 م). قام لافوازييه ولابلاس وهيس أيضًا بفحص الحرارة النوعية والحرارة الكامنة.
على الرغم من أن جوزيف بلاك هو الذي قدم أهم المساهمات في تطوير تغييرات الطاقة المحتملة.
أظهر Kirchhoff في عام 1858 أن الاختلاف في حرارة التفاعل يتم الحصول عليه من خلال الاختلاف في السعة الحرارية بين المنتجات والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = Cp.
يسمح تكامل هذه المعادلة بتقييم حرارة التفاعل عند درجة حرارة القياسات عند درجة حرارة أخرى.
قياس السعرات الحرارية
يتم قياس التغيرات الحرارية باستخدام مقياس المسعر ، وهو عادة غرفة مغلقة يتم فيها إجراء التغيير المراد فحصه.
تتم مراقبة درجة الحرارة المحيطة بواسطة مقياس حرارة أو مزدوج حراري ، ويتم رسم درجة الحرارة مقابل الوقت ، لإعطاء رسم بياني يمكن من خلاله حساب الكميات الأساسية.
غالبًا ما تكون المسعرات الحديثة مجهزة بأجهزة تلقائية لتوفير قراءة سريعة للمعلومات ، ومثال على ذلك هو مقياس المسح التفاضلي (DSC).
الأنظمة
التعريفات المختلفة للديناميكا الحرارية مفيدة جدًا في الكيمياء الحرارية ؛ النظام هو الجزء المحدد من الكون الذي تتم دراسته ، وكل شيء خارج النظام يعتبر مكانًا. يمكن أن يكون النظام:
- نظام معزول (تمامًا) لا يمكنه تبادل الطاقة أو المادة مع البيئة المحيطة ، مثل مسعر القنبلة المعزول.
- أيضًا نظام معزول حراريًا يمكنه تبادل العمل الميكانيكي ، ولكن ليس الحرارة أو المادة ، مثل المكبس أو البالون المعزول المعزول.
- نظام معزول ميكانيكيًا يمكنه تبادل الحرارة ، ولكن ليس الإجراءات الميكانيكية أو المادة ، مثل مسعر القنبلة غير المعزول.
- كما يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة ولكن هذا ليس مهمًا ، مثل المكبس أو البالون المختوم بدون عزل.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل كل من المادة والطاقة مع محيطه ، مثل وعاء من الماء المغلي.
نيترة
لقد كان النيتروجين ولا يزال هو المعالجة الكيميائية الحرارية الرئيسية التي ، إلى جانب نيتروكربن الحديد ، هي الحجم المهيمن لتقنيات تعديل السطح الصناعي.
تدمج المعالجة أيضًا النيتروجين في سطح الفولاذ ، بينما يكون في حالة الحديد.
في التطبيقات التجارية ، تتراوح المساحة النموذجية المعدلة من 200 إلى 300 ميكرومتر ، ونادراً ما تتجاوز 600 ميكرومتر.
يظهر تأثيره في توزيع صلابة السطح ، من حيث القيمة القصوى وعمق الاختراق.
العناصر التي قد تعجبك:
أصل الكيميائي ألفريد نوبل
ما هي العناصر الموجودة في أقصى اليسار في الجدول الدوري في الكيمياء؟
كم عدد الفترات والمجموعات التي يحتوي عليها الجدول الدوري الحديث؟
بالمقارنة مع المعالجات الحرارية الأخرى والكيميائية ، لا يلزم إجراء معالجة حرارية إضافية بعد النيترة.
يتعرض سطح المكون أيضًا لمزيد من الصلابة ومقاومة التآكل.
اتبع أيضًا:
تقنيات النيترة المتاحة حاليا
لتنفيذ تقنيات النيتروجين المختلفة تم تسويقها ويجري استكشاف مصادر مختلفة للنيتروجين ، وهنا تقنيات النيتروجين المتاحة:
نيترة الغاز
تم تسجيل براءة اختراع نيترة الغاز في عامي 1913 و 1921 ويتم إجراؤها بشكل عام في درجات حرارة تتراوح بين 550-580 درجة مئوية في صندوق أو فرن طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا مفصول جزئيًا.
تتمثل مزايا الطبقة المميعة في توحيد درجة الحرارة بشكل مثالي تقريبًا ، عبر حجم جزيئات الغاز.
معدل تسخين سريع بالنسبة لنترة الغاز ، يكون التفاعل الرئيسي هو التحلل الحفزي للأمونيا لتكوين نيتروجين (عنصري):
NH3 = [N] + 3/2 H2
تشمل معلمات التحكم الوقت ودرجة الحرارة ومعدل تحلل الغاز ، وفي بيئة الإنتاج ، يتم قياس وتعديل الأخير بانتظام.
السمية الكامنة في نيترة الغاز التقليدية هي أن تركيز النيتروجين على السطح لا يمكن التحكم فيه بدقة.
نتيجة لذلك ، غالبًا ما يكون هيكل طبقة النيتريد والعملية بأكملها غير متوقعة وقابلة للتكرار.
نيترة الملح السائل
نيتريد السائل ، الذي تم تطويره في الأربعينيات من القرن الماضي ، يتم تنفيذه في حمام ملح مصهور يحتوي على السيانيدات أو السيانات.
يتكون الحمام التجاري النموذجي من خليط من 60-70٪ أملاح صوديوم {96.5٪ NaCN ، 2.5٪ Na2CO3 ، 0.5٪ NaCNO}.
و30-40٪ أملاح البوتاسيوم {96٪ KCN ، 0.6٪ K2CO3 ، 0.75٪ KCNO ، 0.5٪ KCl}.
تتمتع معدات نيترة الملح التجارية ، جنبًا إلى جنب مع تقنيات الغاز والبلازما ، بالميزة الرئيسية لوقت دورة قصير بسبب التسخين المكثف والتفاعل العالي للوسط.
هناك عدة طرق لزيادة تسريع معدل النيترة ، مثل إضافات حمام الكبريت أو الضغط المصهور.
عادةً ، بالنسبة للفولاذ منخفض السبائك ، ينتج عن وقت دورة 1.5 ساعة عند درجة حرارة التشغيل 565 درجة مئوية صندوق بسمك 0.3 مم.
تتميز تقنية حمام الملح أيضًا بعدد من الخصائص السلبية ، مثل سمية الحمام وضعف جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
تُستخدم ظاهرة تفريغ التوهج لإدخال النيتروجين الناشئ عن سطح السبيكة وانتشاره لاحقًا في الطبقات تحت السطحية.
تتشكل البلازما في فراغ باستخدام طاقة كهربائية عالية الجهد لتسريع أيونات النيتروجين التي تقصف سطح السبيكة.
نيترة الليزر
في العقدين الماضيين ، تم دراسة نيترة الليزر كطريقة نيتريد بديلة ، حيث يتم وضع المادة في بيئة غازية تفاعلية وتشعيعها بضوء الليزر أثناء التركيب المباشر بالليزر.
يتم إدخال النيتروجين أيضًا من خلال فوهة إلى البركة المنصهرة ، على مقياس زمني لمئات النانو ثانية.
إشعاع الليزر النبضي عالي الكثافة I ≈ 108 واط / سم 2 في جو النيتروجين المحيط يمكن أن يولد طبقة نيتريد بسمك 1 إلى 1.5 ميكرومتر.
طبقة النيتروجين وتأثيرها على خواص الركيزة.
يغير النيتريد بشكل أساسي خصائص السطح ذات الصلة ، ومع ذلك ، فإن وجود حالة النيتريد يؤثر أيضًا على خصائص الكتلة للمادة الموجودة أسفل صندوق النيتريد والمكون بأكمله.
نختار لك: