La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Termodinamica Alcuni aspetti rilevanti in scienza dei materiali.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Termodinamica Alcuni aspetti rilevanti in scienza dei materiali."— Transcript della presentazione:

1 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Termodinamica Alcuni aspetti rilevanti in scienza dei materiali

2 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Studia le proprietà di equilibrio di sistemi macroscopici e le interazioni del sistema con lambiente, Descrive i vincoli sulle condizioni di equilibrio Essenzialmente deriva relazioni esatte tra le proprietà macroscopiche di un sistema allequilibrio Non richiede atomi, molecole,.. La termodinamica classica

3 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS La termodinamica statistica Richiede ed è direttamente basata sulla conoscenza della struttura della materia a livello atomico - molecolare

4 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS I potenziali termodinamici Le condizioni di equilibrio vengono ricavate studiando il massimo (il minimo) di opportuni potenziali termodinamici. Il potenziale da usare dipende dalle condizioni: è noto, ad esempio, che per un sistema isolato, lequilibrio è indicato dal massimo dellentropia. Le condizioni più frequenti sono quelle in cui si vuole descrivere lequilibrio di un sistema in condizioni prefissate di pressione e temperatura. In questi casi, il potenziale da utilizzare è lenergia libera (di Gibbs) definita da G = E + PV – TS

5 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Lenergia libera di Gibbs come potenziale termodinamico Il significato è che: se (nelle prefissate condizioni di T e P) il sistema può subire una trasformazione, che possiamo descrivere con unopportuna variabile di stato (chiamata X) e siamo in grado (con metodi teorici o con modelli interpolanti i cui parametri numerici sono ricavati da dati sperimentali) di valutare lenergia libera (G) in funzione di questa X, allora, lo stato di equilibrio del sistema (cioè il valore di equilibrio di X ai precisati valori di P e T) corrisponde al minimo dellenergia libera.

6 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Casi notevoli (puro) equilibrio chimico (puro) equilibrio di fase Equilibrio eterogeneo Equilibrio elettrochimico

7 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS I potenziali chimici La trattazione dellequilibrio termodinamico nei suoi differenti aspetti dispone di un importantissimo strumento di generalizzazione: il potenziale chimico, che essenzialmente è lenergia libera che compete ad una quantità fissata (una mole) di una sostanza in una determinata fase:

8 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS I potenziali chimici Le caratteristiche dei potenziali chimici che consentono di generalizzare facilmente le trattazioni dei vari tipi di equilibri chimici sono così riassumibili. Per le reazioni chimiche: (allequilibrio) i potenziali chimici delle sostanze coinvolte stanno tra di loro nella stessa relazione con cui le specie compaiono dellequazione stechiometrica Se una sostanza (allequilibrio) ha lo stesso potenziale chimico in tutte le fasi in cui compare

9 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Equilibrio chimico Consideriamo ad esempio una semplice reazione in fase gassosa: Allequilibrio: La trattazione standard porta a scrivere una costante di equilibrio: e risolvere un opportuno sistema di equazioni algebriche (equilibri + eventuali vincoli)

10 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Ad esempio Se il sistema viene preparato a partire da (soltanto) CO + CO 2 in rapporto noto e si considera il caso in cui (nelle condizioni di T e P che interessano) la reazione è poco spostata verso i prodotti (unapprossimazione numerica di natura tecnica, evitabile), allora: Sono i valori iniziali delle pressioni parziali, cioè prima che la reazione parta

11 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Ad esempio Si realizza un TAMPONE gassoso, cioè si controlla per via chimica la pressione parziale dellossigeno. La pressione che si realizza dipende dalla K (dalla T). Ad esempio, se K = , non è difficile raggiungere e controllare accuratamente pressioni parziali nel campo tra e atmosfere.

12 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Equilibri di fase Fase Fase solida / struttura Policristallino / polifasico Sistemi omogenei / eterogenei

13 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Equilibri di fase Composto (ordinato) Soluzione solida Soluzione liquida Soluzione solida Fase pura Soluzione Composto

14 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS La regola delle fasi di Gibbs Abbiamo: –n componenti –f fasi Ci chiediamo quale è la varianza del sistema (quante variabili indipendenti possono essere variate di quantità sufficientemente piccole ma finite mantenendo i vincoli di coesistenza delle fasi): v = c – f + 2

15 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Diagrammi di fase: una rappresentazione grafica sintetica Sistema binario: una variabile composizionale x (a T, P costanti): varia da 0 (A puro) a 1 (B puro) = frazione molare Si usa g (intensiva): una curva per ogni fase Forma: contributo entropico

16 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS g della fase a comp. x a g della fase a comp. x b Composizione globale x c Consideriamo un sistema eterogeneo avente composizione globale x c e costituito da quantità opportune di: fase a composizione x a < x c fase a composizione x b > x c Le quantità delle due sostanze nelle due fasi sono ovviamente vincolate dai valori x a, x c e x b. Si ricava che:

17 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS g della fase Composizione globale Considerando queste quantità relative delle due fasi, si trova poi che lenergia libera (per quantità di sostanza) del sistema eterogeneo è rappresentata dal punto c del segmento che unisce i punti a e b.

18 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Il sistema può dunque essere Mono-fasico: punto a: solo fase, o punto b: solo fase, Bi-fasico (in vari modi, es: punto c). Lequilibrio termodinamico corrisponde al punto d. Il minimo dellenergia libera Composizione globale x c

19 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS La costruzione di un diagramma di fase Ripetendo la procedura si spiega o si prevede un diagramma di fase. Qui è ricavato nellipotesi che: –cè una sola fase solida –(e cè una sola fase liquida): Caso con solubilità completa allo stato solido

20 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Le zone bi-fasiche La zona tratteggiata è bifasica Non cè una fase che abbia T e composizione di questo punto. Invece il punto indica coesistenza delle due fasi corrispondenti agli estremi del segmento Solo liquido: eq. bivariante Solo soluzione solida: equilibrio bivariante Area bifasica Soluzione solida di questa comp. + Soluzione liquida di questa comp.

21 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Ad ogni temperatura la soluzione solida e la soluzione liquida che sono in equilibrio termodinamico hanno differenti composizioni.

22 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Alcuni casi tipici Il diagramma ad eutettico semplice: completa solubilità in fase liquida, completa immiscibilità in fase solida (ci sono DUE solidi diversi immiscibili)

23 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Eutettico con parziale solubilità allo stato solido Es. lega per saldatura Sn - Pb

24 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS T1T1 T2T2 T3T3 Eutettico con parziale solubilità allo stato solido Es. lega per saldatura Sn - Pb

25 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Eutettico con parziale solubilità allo stato solido Es. lega per saldatura Sn - Pb

26 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Leutettico

27 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS composti

28 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Composti incongruenti

29 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Diagrammi ternari

30 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Determinazione della composizione di un punto allinterno del sistema ternario A-B-C. Y: A = 10%, B = 30%, C = 60% X : A = 20%, B =40%, C = 40%

31 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Diagramma SiO 2 -Al 2 O 3 -MgO Contiene l80% dei materiali ceramici utilizzati industrialmente


Scaricare ppt "Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Termodinamica Alcuni aspetti rilevanti in scienza dei materiali."

Presentazioni simili


Annunci Google