الكيمياء الحرارية في معالجة المواد كجزء من هندسة السطح، تستخدم المعالجة الكيميائية الحرارية الانتشار الحراري لدمج الذرات غير المعدنية أو المعدنية في سطح المادة لتعديل تركيبتها الكيميائية وبنيتها المجهرية.
تتم العملية في وسط صلب أو سائل أو غازي مع عنصر كيميائي نشط واحد أو أكثر في وقت واحد، لذلك اتبع صفحة المقالة لمعرفة المزيد عن الكيمياء الحرارية في معالجة المواد.
جدول المحتويات
الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية أو التحولات الفيزيائية.
يمكن أن يطلق التفاعل الطاقة أو يمتصها، ويمكن لتغير الطور أن يفعل نفس الشيء مثل الذوبان والغليان.
تركز الكيمياء الحرارية على تغييرات الطاقة هذه، وتحديداً تبادل الطاقة بين النظام وبيئته.
تُعد الكيمياء الحرارية مفيدة أيضًا للتنبؤ بكميات المواد المتفاعلة والنواتج على مدار دورة تفاعل معينة.
بالاقتران مع قرارات الانتروبيا، يتم استخدامها أيضًا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل تلقائيًا (عفويًا) أو غير تلقائي.
تمتص التفاعلات الماصة للحرارة الحرارة بينما تعطي 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.
انظر أيضًا: بحث عن أهمية الكيمياء في حياتنا اليومية بالتفصيل
تاريخ موجز للكيمياء الحرارية
تقوم الكيمياء الحرارية على تعميمين ويتم وصفهما بالمصطلحات الحديثة على النحو التالي:
- قانون لافوازييه ولابلاس (1780 م): يرافق تغير الطاقة كل تحول مساوٍ ومعاكس لتغيير الطاقة المصاحب للعملية العكسية.
- قانون هيس (1840 م): تغيير الطاقة المرتبط بكل تحويل هو نفسه سواء حدثت العملية في خطوة واحدة أو في خطوات متعددة.
تسبق هذه العبارات وساعدت في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845 م)، كما درس لافوازييه ولابلاس وهيس الحرارة النوعية والحرارة الكامنة.
على الرغم من أن جوزيف بلاك هو الذي قدم أهم المساهمات في تطوير تغييرات الطاقة الممكنة.
في عام 1858، أظهر كيرشوف أن الاختلاف في حرارة التفاعل ناتج عن الاختلاف في السعة الحرارية بين المنتجات والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = Cp.
يسمح دمج هذه المعادلة بتقييم حرارة التفاعل عند درجة حرارة واحدة من القياسات، عند درجة حرارة أخرى.
قياس السعرات الحرارية
يتم قياس التغيرات الحرارية بمسعر، وعادة ما تكون غرفة مغلقة يتم فيها إجراء التغيير المراد فحصه.
تتم مراقبة درجة حرارة الغرفة إما بميزان حرارة أو مزدوج حراري، ويتم رسم درجة الحرارة مقابل الوقت لتوفير مخطط يمكن من خلاله حساب الكميات الأساسية.
غالبًا ما تكون المسعرات الحديثة مجهزة بأجهزة أوتوماتيكية لتمكين قراءة سريعة للمعلومات، ومثال على ذلك هو مقياس المسح التفاضلي (DSC).
الأنظمة
العديد من التعريفات الديناميكية الحرارية مفيدة جدًا في الكيمياء الحرارية ؛ النظام هو الجزء المحدد من الكون الذي تتم دراسته. كل شيء خارج النظام يعتبر محيطًا أو بيئة. يمكن أن يكون النظام:
- نظام منعزل (تمامًا) لا يمكنه تبادل الطاقة أو المادة مع البيئة، على سبيل المثال. B. مسعر قنبلة معزولة.
- أيضًا نظام معزول حراريًا يمكنه تبادل الإجراءات الميكانيكية ولكن ليس الحرارة أو المادة، مثل الحرارة. ب- دورق أو بالون مغلق معزول.
- نظام معزول ميكانيكيًا يمكنه تبادل الحرارة ولكن ليس العمل الميكانيكي أو المادة، مثل B. مسعر قنبلة غير معزول.
- أيضًا نظام مغلق يمكنه تبادل الطاقة ولكنه ليس ضروريًا، مثل المكبس أو البالون المغلق غير المعزول.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل كل من المادة والطاقة مع البيئة، مثل وعاء الماء المغلي.
نيترة
كانت النترجة ولا تزال أهم معالجة كيميائية حرارية، والتي تمثل مع نيترو كربنة الحديد الحجم المهيمن لتقنيات تعديل السطح الصناعي.
ينتج عن المعالجة أيضًا دمج النيتروجين في سطح الفولاذ أثناء وجوده في الحالة الحديدية.
في التطبيقات التجارية، المساحة النموذجية المعدلة هي 200-300 ميكرومتر ونادراً ما تتجاوز 600 ميكرومتر.
ينعكس تأثيره في توزيع صلابة السطح، بناءً على القيمة القصوى وعمق الاختراق.
بالمقارنة مع المعالجات الحرارية والكيميائية والحرارية الأخرى، لا يلزم إجراء معالجة حرارية إضافية بعد النيترة.
يتعرض سطح المكون أيضًا لمزيد من الصلابة ومقاومة التآكل.
تابع أيضًا: موضوع حول العنصر الأول في الجدول الدوري للكيمياء
تقنيات النيترة المتاحة حاليا
لتنفيذ النيتروجين، تم تسويق العديد من التقنيات ودراسة مصادر مختلفة من النيتروجين، وفيما يلي تقنيات النترات المتاحة، وهي:
نيترة الغاز
تم تسجيل براءة اختراع نيترة الغاز في عامي 1913 و 1921 ويتم إجراؤها عادةً في درجات حرارة تتراوح بين 550-580 درجة مئوية في فرن صندوقي أو طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا المنفصلة جزئيًا.
تتمثل مزايا الطبقة المميعة في توحيد درجة الحرارة بشكل مثالي تقريبًا على الحجم الكامل لجزيئات الغاز.
معدل تسخين سريع في نترات الغاز، يكون التفاعل الرئيسي هو التحلل التحفيزي للأمونيا إلى نيتروجين (عنصري):
NH3 = [N] + 3/2 H2
تشمل معلمات التحكم الوقت ودرجة الحرارة ومعدل انحلال الغاز، وفي بيئة الإنتاج يتم قياس هذا الأخير وتعديله بشكل دوري.
السمية الكامنة في نيترة الغاز التقليدية هي أن التركيز السطحي للنيتروجين لا يمكن مراقبته بدقة.
نتيجة لذلك، غالبًا ما تفتقر بنية طبقة النيترة والعملية الكلية إلى القدرة على التنبؤ والتكرار.
نترات الملح السائلة
تم تطوير نيتريد السائل في الأربعينيات من القرن الماضي في حمام ملح مصهور يحتوي على السيانيد 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}.
المعدات المتاحة تجاريًا لترطيب الملح جنبًا إلى جنب مع تقنيات الغاز والبلازما، والميزة الرئيسية هي دورة زمنية قصيرة بسبب التسخين المكثف والتفاعل العالي للوسط.
هناك عدة طرق لزيادة تسريع سرعة النيترة، مثل: إضافات الاستحمام من الكبريت أو ضغط الذوبان.
بالنسبة للفولاذ منخفض السبائك، ينتج عن دورة زمنية مدتها 1.5 ساعة عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 565 درجة مئوية عادةً غلاف بسمك 0.3 مم.
تتميز تقنية حمام الملح أيضًا بعدد من الخصائص السلبية، مثل سمية الحمام وضعف جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
يتم استخدام ظاهرة تفريغ التوهج لإدخال النيتروجين الناتج على سطح السبيكة وانتشاره اللاحق في طبقات تحت السطح.
تتكون البلازما في فراغ باستخدام طاقة كهربائية عالية الجهد لتسريع أيونات النيتروجين التي تقصف سطح السبيكة.
نيترة الليزر
تم فحص نيترة الليزر كعملية نيترة بديلة على مدى العقدين الماضيين: في التخليق المباشر بالليزر، يتم وضع مادة في بيئة غازية تفاعلية وتشعيعها بضوء الليزر.
يُحقن النيتروجين أيضًا في البركة المنصهرة من خلال فوهة بمقياس زمني يصل إلى مئات النانو ثانية.
إن إشعاع الليزر النبضي عالي الكثافة I ≈ 108 W / cm2 في جو النيتروجين المحيط قادر على إنتاج طبقة نيتريد بسمك 1 إلى 1.5 ميكرومتر.
الطبقة النيتريدية وتأثيرها على خواص الركيزة
يغير النيتريد بشكل أساسي الخصائص المتعلقة بالسطح، لكن وجود حالة النيتريد يؤثر أيضًا على الخصائص الحجمية للمادة الموجودة تحت الغلاف النيتري والمكون بأكمله.
اخترنا لك: البحث عن مكتشف قانون ضغط السائل في الكيمياء
في نهاية الكيمياء الحرارية في معالجة المواد، تعتبر تقنية السطح طريقة جذابة تقنيًا وقابلة للتطبيق اقتصاديًا لتحسين الطبقة السطحية للمواد، نظرًا لأن سطح المادة يحدد عمر الخدمة في العديد من التطبيقات.