ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ РАВНОВЕСИЯ И НАПРАВЛЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Ввиду открытости термодинамической системы технологического процесса обработки материала энтропия не может служить термодинамическим критерием равновесия и самопроизвольности, т.е. возможности его осуществления. Такими универсальными критериями, не зависящими от степени замкнутости системы, являются ее термодинамические потенциалы: внутренняя энергия U, энтальпия Н, изохорно-изотермический потенциал, или энергия Гельмгольца (свободная энергия) F, изобарно-изотермический потенциал, или энергия Гиббса (свободная энтальпия) G. С помощью термодинамических потенциалов можно характеризовать степень отклонения системы от состояния равновесия. Изменение термодинамического потенциала П в данном процессе связано с максимальной полезной работой Л . совершаемой системой 64 „ > 0) или над системой (Атях < 0) при постоянстве определенной пары термодинамических параметров:

Знак равенства в (1.1) относится к обратимому (равновесному) процессу, а знак неравенства — к необратимому, т.е. к реальному. В технологических процессах работа совершается над системой. Для некоторых процессов это не требуется (6Дтах = 0). В последнем случае выражение (1.1) сводится к выражению

которое говорит о том, что в системе самопроизвольно, т.е. неравновесно, могут протекать только те процессы, в которых ее термодинамический потенциал уменьшается, а при достижении равновесия изменение данного потенциала равно нулю.

Процессы в открытых системах никогда не бывают строго равновесными, однако во многих случаях они могут быть близкими к равновесным. Тогда в практических расчетах их можно рассматривать как приближенно равновесные.

С позиций термодинамики все термодинамические потенциалы равноценны. Однако надо иметь в виду, что подавляющее большинство технологических процессов обработки материалов протекает при постоянной или слабо изменяющейся температуре и постоянном объеме либо постоянном давлении. Поэтому в качестве универсальных критериев равновесия и самопроизвольности (направленности) процессов обработки материалов целесообразнее пользоваться величинами F и G. Применительно к ним формула (1.1) принимает вид

где р, V, Т— соответственно давление, объем, абсолютная температура.

Приведенные выше рассуждения позволяют заключить, что ТКМ — это наука о превращениях материалов, осуществляемых человеком с целью получения из них готовых изделий или полуфабрикатов, основанная на изменениях термодинамических потенциалов.

Возможность осуществления данного процесса обработки материала (а обобщая, и любого технологического процесса!) зависит от характера изменения термодинамического потенциала, в частности энергии Гиббса, системы, состоящей в общем случае из пяти элементов: материала, рабочей среды, оборудования, приспособлений, активной внешней среды. Если в технологическом процессе термодинамический потенциал ОТС в необходимых пределах уменьшается (при /4тах = 0) или увеличивается на меньшую величину, чем совершаемая над системой работа (при Лтах < 0), то процесс возможен, если нет, то процесс неосуществим.

В ТКМ практически нет производственных процессов, где бы не совершалась работа над ОТС. Например, даже в доменном производстве чугуна, где подавляющая часть энергии, участвующей в процессе, — это внутренняя (химическая) энергия системы руда — флюс — топливо — воздух, затрачивается работа по поднятию, загрузке в печь шихты, выпуску, разливке чугуна и др. Однако энергия этой работы все же многократно меньше, чем энергия химических процессов, происходящих в доменной печи, в совокупности с участвующей также при этом тепловой энергией. Поэтому приближенно можно считать, что доменный процесс происходит без совершения работы, в основном только вследствие убыли термодинамического потенциала (энергии Гиббса), т.е. подчиняется условию (1.2).

К подобным процессам можно отнести также плавку стали в конверторах, мартеновских печах, газовую сварку, стадии охлаждения и формирования структуры отливок в литейных формах, слитков в изложницах, паяных швов, покрытий, склеивание, спекание порошковых изделий и др.

Большинство же технологических процессов происходит с совершением работы как над ОТС в целом, так и непосредственно над материалом в частности, т.е. подчиняется условию (1.1). Это обработка давлением, резанием, большинство видов сварки, сортировка и обогащение руд, производство металлов и сплавов в электропечах, электролитическое производство и рафинирование маталлов и отдельные стадии других технологических процессов производства и обработки конструкционных материалов.

Однако энергетические условия (1.1), (1.2) являются лишь необходимыми, но не достаточными для того, чтобы данный технологический процесс был осуществлен. Например, если резец на станке плохо заточен или закреплен, то он не будет резать заготовку, так как не сможет обеспечить достаточную силу резания. В то же время станок будет работать и термодинамический потенциал системы будет расходоваться, т.е. условие (1.1) будет выполняться. Очевидно, что необходимо еще выполнение «силового» условия, или условия силовой достаточности в системе рабочая среда — обрабатываемый материал.

Энергию любого вида (W) можно представить как произведение двух величин: интенсивной, или фактора интенсивности П, и экстенсивной, или фактора емкости w. В элементарном выражении

Конструкционные материалы и сырье для их производства обрабатывают непосредственным воздействием на них одного из следующих видов энергии или их комбинаций:

  • 1. Механическая энергия WM. Применяется при обработке давлением, резанием, термомеханичской, механической сварке, формовании порошковых изделий и др. Эту энергию можно выразить в виде произведения разных интенсивных и экстенсивных величин. Например:
    • • при одноосном растяжении или сжатии заготовки

где Р — усилие деформирования; dl — элемент пути;

• при изменении объема обрабатываемой среды:

где dV— элемент объема;

• при высокоскоростной обработке, где основную роль играет кинетическая энергия:

где V, dm — соответственно скорость и элемент массы.

2. Химическая энергия Wx, или межмолекулярная (потенциальная) составляющая внутренней энергии. Используется при производстве, рафинировании металлов, спекании изделий, сформированных из порошков разнородных материалов и др. Она участвует во всех химических реакциях, процессах переноса вещества как внутри фаз, так и между фазами:

где р, dn — соответственно химический потенциал и элемент количества компонента среды.

3. Поверхностная энергия Wn, или избыточная энергия поверхностного слоя по сравнению с объемной энергией вещества, также являющаяся потенциальной частью внутренней энергии:

где Gj_2, dSl 2 поверхностное (межфазовое) натяжение и элемент площади поверхности между фазами. Эта энергия используется при нанесении покрытий из порошков, флотационном обогащении руд, склеивании, пайке. Совместно с объемной химической энергией участвует во всех гетерогенных химических превращениях, например в спекании порошковых изделий.

4. Электрическая энергия Wy Используется в процессах электролитического производства и рафинирования металлов, электрохимической размерной обработке, нанесении гальванических покрытий и др.

где Дф — разность электрических потенциалов (напряжение) между электродами электролитической ванны; dq — элемент электрического заряда.

5. Хаотическая составляющая внутренней энергии (кинетическая энергия молекул, атомов вещества), передаваемая материалу или отнимаемая от него в виде тепла Q

где dS — элемент энтропии. Эту энергию называют также тепловой энергией[1]. Тепловая энергия в различной степени участвует во всех технологических процессах. Непосредственно передается (или отнимается) материалу она в процессах производства, рафинирования материалов, литья, сварки, пайки, порошковой технологии, нанесения покрытий, в горячей обработке давлением, во всех фазовых превращениях, происходящих с материалами и др.

Другие виды энергии — электромагнитная, световая, лучевая (лазерная, электронно-лучевая) и др., которые также могут передаваться непосредственно в объем или на поверхность обрабатываемого материала, служат только для преобразования энергии, подводимой извне, в один из указанных выше видов энергии. Например, при магнитноимпульсной штамповке или сварке электромагнитная энергия, вырабатываемая в объеме заготовки под действием переменного магнитного поля индуктора (катушки), питаемой током высокой частоты от внешнего источника, преобразуется в механическую энергию, которая движет и деформирует заготовку. Также при лучевой сварке или размерной обработке, например резке, энергия луча при столкновении с поверхностью заготовки преобразуется в тепловую энергию, которая непосредственно и осуществляет обработку. В обоих случаях внешняя электрическая энергия расходуется на обработку мтаериала, но не она непосредственно участвует в обработке материала.

Из указанных выше пяти видов энергии механическая, электрическая передаются материалу в форме работы: движение инструмента, прохождение тока в электролитической ванне и др. Эта работа в конечном итоге идет на повышение внутренней энергии материала — частично потенциальной (свободной), частично хаотической, или тепловой.

Химическая энергия в технологическом процессе является частью внутренней потенциальной энергии системы «рабочая среда — материал». В химических реакциях она превращается в теплоту, нагревая систему. В процессах переноса вещества внутри фазы (концентрационная диффузия) или между фазами эта энергия действует направленно — в форме работы, хотя в конечном счете все равно превращается в теплоту.

Поверхностная энергия также воздействует на обрабатываемый материал в виде работы (работа адгезии). Например, расплавленный припой всасывается в паяльный зазор поверхностными силами, совершая при этом работу против сил трения. При спекании порошковых изделий избыточная поверхностная энергия совершает работу против сил объемного трения между зернами материала, осуществляя тем самым его уплотнение и упрочнение изделия.

Подавляющая часть хаотической энергии передается материалу или отнимается от него в виде теплоты. Однако некоторая часть тепла все же участвует во взаимном превращении с работой. Например, при нагреве тело расширяется, т.е. часть тепла расходуется на работу тела против сил внешнего давления. При охлаждении, наоборот, силы внешнего давления совершают работу сжатия материала (усадка), и она превращается в теплоту.

Интенсивное свойство энергии П называют также обобщенной силой, или потнециалом, а экстенцивное свойство w — обобщенным путем по аналогии с механической энергией.

Условие силовой достаточности применительно к технологическому процессу обработки материала означает, что для возможности этого процесса интенсивный, или силовой, фактор (Р, Д<р, р, а, 7) энергии, направленной на обработку, должен быть не меньше определенной величины П,:

Знак равенства в (1.4) по-прежнему относится к равновесному процессу, а знак неравенства — к неравновесному. Например, для начала одноосного упругопластического растяжения или сжатия заготовки сила, передаваемая инструментом на заготовку, должна быть не меньше усилия текучести материала заготовки Р{, т.е. Р> Ру

Для того чтобы в системе, состоящей из рабочей среды и материала, при р = const и Т= const началась химическая реакция, необходимо выполнение условия:

где (ip fi. — химические потенциалы реагентов и продуктов реакции; v;., v. — их стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции.

Для возможности переноса компонента из многокомпонентной фазы 1 в многокомпонентную фазу 2, например, при переносе примеси из металла в шлак, раскислении металла в металлургической ванне обязательно выполнение условия

где р,, р2 — химические потенциалы компонента в соответствующих фазах.

Для того чтобы стала возможной адгезия клея к поверхности детали при склеивании в газовой среде, например в воздухе, необходимо выполнить условие:

где — поверхностные натяжения на границах пар: деталь — воздух, клей — воздух, деталь — клей.

Для того чтобы в электролитической ванне стал возможным электролиз, например, разложение химического соединения с целью получения металла, необходимо, чтобы разность потенциалов между анодом и катодом ванны (напряжение) было не меньше напряжения разложения соединения, растворенного в электролите, Е :

Наконец, для возможности проведения технологического процесса посредством передачи тепла материалу или отнятия тепла от него необходимо выполнить условие

где Т — тепература теплоотдающей среды, Т{ максимальная в данном технологическом процессе температура тепловоспринимающей среды. Например, в случае нагрева металла для литья или термической сварки должно быть

где Г0 — температура плавления металла; АТ — необходимый перегрев. Для охлаждения литейной формы, наоборот, должно быть

где 7ф — температура формы, Г — температура охлаждающей среды.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что в отличие от условия энергетической достаточности (1.1) или (1.2), обязательной для всей ОТС, условие силовой достаточности (1.4) действует только в системе «рабочая среда — материал».

И все же выполнение даже обоих приведенных термодинамических условий еще не является достаточным для того, чтобы запланированный технологический процесс был осуществлен. Ведь для термодинамики неважно, превращается ли материал в нужном для человека направлении или в другом. Третьим и окончательным условием, конечно же, является организационная достаточность, или правильная организация процесса: правильный выбор и дозировка материала, других элементов ОТС, параметров режима, условий обработки и т.п.

Поэтому никогда не следует забывать и о первой, практической стороне вопроса. Подытоживая, можно утверждать, что ТКМ как дисциплина имеет две стороны, два аспекта: 1) практическую, которая определяет ее цель; 2) теоретическую, или физико-химическую, определяющую ее научный фундамент и средства для изучения и развития.

  • [1] Теплота, как и работа, является не видом энергии, а лишь формой ее передачи, поэтому это название в термодинамическом смысле некорректно. Однако на практике им можно пользоваться, подразумевая при этом, конечно,только численное значение хаотической энергии.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >