الكيمياء الحرارية في معالجة المواد
الكيمياء الحرارية في معالجة المواد، لكونها جزءً من هندسة الأسطح، تستخدم المعالجة الكيميائية الحرارية الانتشار الحراري، لدمج الذرات غير المعدنية أو المعدنية، في سطح مادة لتعديل التركيب الكيميائي والبنية المجهرية.
وتتم العملية في وسط صلب أو سائل أو غازي مع واحد أو عدة عناصر كيميائية نشطة في وقت واحد، فتابعوا موقع مقال للتعرف على الكيمياء الحرارية في معالجة المواد.
محتويات المقال
الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية أو التحولات الفيزيائية.
قد يطلق التفاعل الطاقة أو يمتصها، وقد يحدث تغيير الطور نفس الشيء، كما هو الحال في الذوبان والغليان.
وتركز الكيمياء الحرارية على تغييرات الطاقة هذه، لا سيمًا على تبادل طاقة النظام مع محيطه.
كما تُعد الكيمياء الحرارية مفيدة في التنبؤ بكميات المواد المتفاعلة، والمنتج طوال مسار تفاعل معين؟
فبالاقتران مع قرارات الانتروبيا، يتم استخدامها أيضًا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل عفويًا (تلقائيًا) أو غير عفوي.
تمتص التفاعلات الماصة للحرارة الحرارة، بينما تطلق التفاعلات الطاردة للحرارة الحرارة.
كما تدمج الكيمياء الحرارية مفاهيم الديناميكا الحرارية، مع مفهوم الطاقة في شكل روابط كيميائية.
ويشتمل هذا الموضوع بشكل عام على حسابات كميات مثل السعة الحرارية، وحرارة الاحتراق، وحرارة التكوين، والمحتوى الحراري، والنتروبيا، والطاقة الحرة، والسعرات الحرارية.
شاهد أيضًا: بحث عن أهمية الكيمياء في حياتنا اليومية بالتفصيل
نبذة تاريخية عن الكيمياء الحرارية
تعتمد الكيمياء الحرارية على تعممين، وهي مذكورة في المصطلحات الحديثة كما يلي:
- قانون لافوازييه ولابلاس (1780م): إن تغير الطاقة المصاحب، لأي تحول مساوٍ ومعاكس، لتغير الطاقة المصاحب للعملية العكسية.
- قانون هيس (1840م): تغيير الطاقة المصاحب، لأي تحول هو نفسه سواء حدثت العملية في خطوة واحدة أو عدة خطوات.
هذه التصريحات سبقت القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845م)، وساعدت في صياغته قام لافوازييه ولابلاس وهيس أيضًا بالتحقيق في حرارة معينة وحرارة كامنة.
على الرغم من أن جوزيف بلاك ، هو الذي قدم أهم المساهمات في تطوير تغييرات الطاقة الكامنة.
أظهر كيرشوف في عام 1858م أن الاختلاف في حرارة التفاعل، يتم الحصول عليه من خلال الاختلاف في السعة الحرارية بين المنتجات، والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = ΔCp.
ويسمح تكامل هذه المعادلة بتقييم حرارة التفاعل عند درجة حرارة واحدة من القياسات، عند درجة حرارة أخرى.
قياس السعرات الحرارية
يتم إجراء قياس التغيرات الحرارية باستخدام قياس المسعر، وعادًة ما تكون غرفة مغلقة يحدث فيها التغيير المطلوب فحصه.
تتم مراقبة درجة حرارة الغرفة إما باستخدام مقياس حرارة أو مزدوج حراري، ويتم رسم درجة الحرارة مقابل الوقت، لإعطاء رسم بياني يمكن من خلاله حساب الكميات الأساسية.
وغالبًا ما يتم تزويد أجهزة قياس المسعرات الحديثة بأجهزة أوتوماتيكية، لتوفير قراءة سريعة للمعلومات، وأحد الأمثلة على ذلك هو مسعر المسح التفاضلي (DSC).
الأنظمة
العديد من التعريفات الديناميكية الحرارية مفيدة جدًا في الكيمياء الحرارية؛ والنظام هو الجزء المحدد من الكون، الذي تتم دراسته، وكل شيء خارج النظام يعتبر محيطًا أو بيئة، وقد 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 المغلق المعزول أو البالون.
- نظام معزول ميكانيكيًا يمكنه تبادل الحرارة، ولكن ليس الأعمال الميكانيكية أو المادة، مثل مسعر القنبلة غير المعزول.
- كذلك نظام مغلق يمكنه تبادل الطاقة ولكن ليس مهمًا، مثل المكبس أو البالون المغلق غير المعزول.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل كل من المادة، والطاقة مع البيئة المحيطة، مثل وعاء من الماء المغلي.
النيترة
لقد كانت النيترة ولا تزال هي المعالجة الكيميائية الحرارية الرئيسية، التي تمثل مع نيترو كربنة الحديد الحجم المهيمن، لتقنيات تعديل السطح الصناعي.
كما تؤدي المعالجة إلى دمج النيتروجين في سطح الفولاذ، أثناء وجوده في حالة الحديد.
وفي التطبيقات التجارية، المنطقة المعدلة النموذجية، تصل إلى 200-300 مايكرومتر، ونادراً ما تتجاوز 600 ميكرومتر.
ويظهر تأثيره على توزيع صلابة السطح، من حيث القيمة القصوى وعمق الاختراق.
مقارنةً بالمعالجات الحرارية والكيميائية الحرارية الأخرى، ولا توجد معالجة حرارية إضافية مطلوبة بعد النيترة.
كما أن سطح المكون يواجه زيادة في الصلابة، ومقاومة التآكل.
تابع أيضًا: موضوع عن أول عنصر في الجدول الدوري في الكيمياء
تقنيات النيترة المتاحة في الوقت الحاضر
لتنفيذ النيتروجين، تم تسويق العديد من التقنيات، واستكشاف مصادر مختلفة للنيتروجين، وإليك تقنيات النيترة المتاحة، وهي:
نيترة الغاز
تم تسجيل براءة اختراع نيترة الغاز في عامي 1913م و1921م، ويتم إجراؤها عادًة في درجات حرارة، تتراوح بين 550-580 درجة مئوية في فرن صندوقي أو طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا المنفصلة جزئيًا.
وتتمثل مزايا الطبقة المميعة في توحيد درجة الحرارة شبه المثالي، من خلال حجم جزيئات الغاز بالكامل.
ومعدل التسخين السريع؛ وبالنسبة لنيترة الغاز، يكون التفاعل الأساسي هو التحلل التحفيزي للأمونيا، لتكوين النيتروجين (الأولي):
NH3= [N] + 3/2 H2
تتضمن معلمات التحكم كل من الوقت، ودرجة الحرارة، ومعدل تفكك الغاز، وفي بيئة الإنتاج يتم قياس وتعديل الأخير بشكل دوري.
والسُمية الكامنة في نيترة الغاز التقليدية، هي أن التركيز السطحي للنيتروجين،لا يمكن مراقبته بدقة.
ونتيجة لذلك، غالبًا ما تفتقد بنية الطبقة النيتريدية، والعملية بأكملها إلى القدرة على التنبؤ والتكرار.
نيترة الملح السائل
يتم إجراء نيترة السائل، الذي تم تطويره في الأربعينيات من القرن الماضي، في حمام الملح المصهور المحتوي على السيانيدات أو السيانات.
ويتكون الحمام التجاري النموذجي من خليط 60-70٪ أملاح الصوديوم {96.5٪ NaCN، 2.5٪ Na2CO3، 0.5٪ NaCNO}.
و30-40٪ أملاح بوتاسيوم {96٪ KCN، 0.6٪ K2CO3، 0.75٪ KCNO، 0.5 ٪ KCl}.
وتكون المعدات التجارية لنيترة الملح، جنبًا إلى جنب مع تقنيات الغاز والبلازما، والميزة الرئيسية هي قصر وقت الدورة بسبب التسخين المكثف والتفاعل العالي للوسط.
هناك عدة طرق لزيادة تسريع معدل النيترة، مثل إضافات الاستحمام من الكبريت أو الضغط الذائب.
وعادةً، بالنسبة للفولاذ منخفض السبائك، ينتج عن وقت الدورة الذي يستمر 1.5 ساعة عند درجة حرارة التشغيل البالغة 565 درجة مئوية حالة بسمك 0.3 مم.
وتتميز تقنية حمام الملح أيضًا بعدد من السمات السلبية، مثل سُمية الحمام، وضعف جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
حبق تستخدم ظاهرة التفريغ المتوهج لإدخال النيتروجين الناشئ على سطح السبيكة، وانتشاره اللاحق في طبقات تحت السطح.
وتتكون البلازما في فراغ باستخدام طاقة كهربائية عالية الجهد، لتسريع أيونات النيتروجين التي تقصف سطح السبيكة.
نيترة الليزر
في العقدين الماضيين، تم فحص نيترة الليزر كطريقة نيترة بديلة، وأثناء التركيب المباشر بالليزر، يتم وضع مادة في بيئة الغاز التفاعلي وتشيعها بضوء الليزر.
كما يتم تغذية النيتروجين من خلال فوهة في حوض الذوبان، على مقياس زمني لمئات النانو ثانية.
فإن إشعاع الليزر النبضي عالي الكثافة لـ I ≈ 108 W / cm2 في جو النيتروجين المحيط قادر على توليد طبقة نيتريد سميكة بسماكة 1 إلى 1.5 ميكرومتر.
الطبقة النيتريدية وتأثيرها على خواص الركيزة
تغير النيترة في المقام الأول الخصائص ذات الصلة بالسطح، ومع ذلك، فإن وجود حالة النيتريد يؤثر أيضًا على خصائص حجم المادة أسفل العلبة النيتريدية، والمكون بأكمله.
اخترنا لك: بحث حول مكتشف قانون الضغط على السوائل في الكيمياء
في نهاية الكيمياء الحرارية في معالجة المواد، تمثل هندسة الأسطح طريقة جذابة تقنيًا ومجدية اقتصاديًا تهدف إلى تحسين الطبقة السطحية من المواد، نظرًا لأن سطح المادة يتحكم في عمر الخدمة في العديد من التطبيقات.