welcome (Практикум 1), страница 8

Рассчитать средние значения напряжения разрушения и занести втаблицу 4.2.2. Найти относительное понижение прочности под действием каждой изисследованных сред ⎡( ( Pc )0 − Pc ) /( Pc )0 ⎤ ⋅100% , где ( Pc )0 и Pc – соответственно⎣⎦средняя прочность образцов на воздухе и в присутствии среды. Результатызаписать в таблицу 4.2.Таблица. 4.2.СредаНапряжениеСреднееразрушенияРс, напряженияН/м2значение Относительное понижениепрочности_разрушения P , Н/м2()⎡ ( Pc ) − Pc /( Pc ) ⎤ ⋅100% , %00⎦⎣3.

В зависимости от выполненного варианта работы, изображают графическизависимость прочности Pc :1) от числа углеродных атомов в молекуле спирта;2) от концентрации спирта в неполярном растворителе, в мол.%:c = 100n1 /(n1 + n2 ); n1 = Vi ρi / M i , где n1 и n2 - соответственно количество молейспирта и неполярного растворителя в растворе, Vi – объем i-ого компонента врастворе; ρi и M i – соответственно плотность и молярная масса данногокомпонента смеси;3) от коэффициента активности воды, выраженного в шкале мольныхдолей;4) от концентрации воды в масс.%: c = (100 ⋅Vw ρ w + cwVs ρ s ) /(Vw ρ w + Vs ρ s )49где Vw , ρ w Vs и ρ s – соответственно объемы и плотности воды и насыщенногораствора соли, cw – концентрация воды в насыщенном растворе, масс.% (Табл.5 Приложения).ПРИЛОЖЕНИЕТаблица 1. Поверхностное натяжение этилового спирта при различныхтемпературах.t, 0С σ, мДж/м2 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 22,22 22,14 22,06 21,99 21,92 21,85 21,79 21,73 21,67 21,62 21,56 Таблица 2.

Плотности ρ (при 200С) и коэффициенты объемного расширения αразличных жидкостей.Веществоρ, г/см 3α, град-1Веществоρ, г/см 3α, град-1Этанол0,7891,2.10-3Гептан0,6848,3.10-4Пропанол0,8048,3.10-4Октан0,7028,3.10-4Этилацетат0,9011,3.10-3о-Ксилол0,8809,5.10-4Амилацетат0,9791,3.10-3м-Ксилол0,8649,7.10-4Метилпропионат0,8151,2.10-3п-Ксилол0,8619,5.10-450Таблица 3. Поверхностное натяжение воды при различных температурах.t,oC σ, мДж/м2 15 73,49 16 73,34 17 73,19 18 73,05 19 72,90 20 72,75 21 72,59 22 72,44 23 72,28 24 72,18 25 71,97 51Таблица 4.

Константы ПАВ и навески угля.ПАВСПИРТЫПропиловыйБутиловыйАмиловыйГексиловыйМолекулярнаямасса, г607688102Плотность, г/см30,800,810,810,82Навеска угля, г4210,2Таблица 5. Константы насыщенных водных растворов электролитов.РастворенноевеществоКонцентрацияводы, вес.%Активность воды,м. долиПлотность,г/см3Хлористый магний64,30,3301,34Сернокислыймагний72,80,9031,43Хлористый кальций54,90,2871,44Хлористый литий54,20,1101,27Хлористый натрий73,50,7531,20Бромистый натрий51,40,6201,41Йодистый натрий35,20,4461,80Хлористый калий73,50,8431,16Бромистый калий59,40,8081,37Йодистый калий40,10,6861,73Углекислый калий47,20,4281,56Хлористый цезий34,30,6581,79ЧАСТЬ II.

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.Теоретические введения к разделам 5-7 написаны доц. Н.И. Ивановой, кразделу 8 – доц. Л.И. Лопатиной.52В постановке практических работ и составлении к ним описанияпринимали участие: доц. Н.И. Иванова, доц. Л.И. Лопатина, научн. сотр.Ф.А. Куликов-Костюшко, проф. А.В. Перцов, вед. научн. сотр. П.В.

Проценко,научн. сотр. В.А. Тимошенко.Под общей редакцией Н.И. Ивановой.РАЗДЕЛ 5.ОБРАЗОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ НЕУСТОЙЧИВЫХДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.Дисперсные системы (ДС), состоящие, как минимум, из двух фаз,занимают промежуточное положение между макросистемами и молекулярнымирастворами. В соответствии с этим для получения ДС используются двапринципиально различных пути: измельчение (диспергирование) одной измакрофаз, при котором резко повышается степень дисперсности, иликонденсация молекул или ионов из макроскопической системы, приводящая квозникновению частиц новой фазы. Первый путь называется диспергационным,второй – конденсационным.Диспергирование твердых тел приводит к образованию порошков (еслиизмельчение проводится на воздухе) или суспензий – при измельчении вжидкой фазе, не вступающей в реакцию с диспергируемым материалом.Диспергационными методами, в большинстве случаев, не удается достичьвысокой степени дисперсности.Конденсационными способами могут быть получены системы любой степенидисперсности, в том числе, с размерами частиц 10-9 – 10-7 м.

В этом случаечастицы новой фазы образуются в результате ассоциации атомов, молекул илиионов в той или иной среде (жидкой или газообразной). Обычно этот процесспротекает в условиях пересыщения. Различают получение дисперсных системпри физической и химической конденсации.При физической конденсации пересыщение достигается изменениемтаких параметров системы как температура, давление, растворимость призамене растворителя.53Для получения золей широко используется метод замены растворителя,который заключается в том, что раствор вещества, образующего дисперснуюфазу, постепенно, при перемешивании приливают к жидкости, в которой этовещество практически нерастворимо.

Возникающее пересыщение приводит кобразованию частиц новой фазы.При химической конденсации пересыщение достигается в процессехимической реакции, при условии, что вновь образующееся соединение плохорастворимо в дисперсионной среде.Гомогенное образование зародышей новой фазыОбразование новой фазы кондесационным методом, в общем случае,включает возникновение небольших кластеров, которые, при условиипересыщения, увеличиваются в размерах, образуя зародыши, способные кдальнейшему росту. Если этот процесс протекает в отсутствие постороннихцентров, на которых может происходить зарождение новой фазы, то такойпроцессназываютгомогеннымзарождениемновойфазы(гомогеннаянуклеация).Изменение свободной энергии ΔG образования сферического зародышарадиуса r включает две составляющие. Первая - связана с работой,затрачиваемой на образование новой поверхности зародыш – окружающаясреда, – эта величина положительна и увеличивает свободную энергиюсистемы: ΔGs = 4πr 2σ .

Вторая - ΔGv , определяется разностью химическихпотенциалов новой ( μ н ) и старой ( μ cт ) фаз μ н − μ cт = −Δμ , т.е. характеризует меруотклонения системы от положения равновесия. Таким образом изменениесвободной энергии при гомогенном образовании зародыша новой фазы ΔGбудет равно:ΔG = ΔGs + ΔGv = 4πr 2 σ −4πr 3Δμ3Vm(5.1)Из уравнения (5.1) следует, что при r = rc ΔG будет иметь максимальноеположительное значение Частицу, радиус которой равенкритическим зародышем новой фазы.54rc ,называютРадиус критического зародыша, как легко показать из уравнения (5.1),равен:rc =2σVm.Δμ(5.2)Из уравнений (5.1) и (5.2) следует, что изменение свободной энергии илиработа образования критического зародыша будет равна:ΔGmax =Рассматривая16πσ 3Vm2.3(Δμ) 2(5.3)возникновениекритическихзародышейкакфлуктуационный процесс, Фольмер получил следующее выражение дляскорости их образования J:J = J 0 exp(−ΔGmax / kT ) ,(5.4)где J – определяется числом зародышей, образующихся в единицу времени, вединице объема; J 0 – предэкспоненциальный множитель, зависящий от видаконкретного фазового перехода; k – постоянная Больцмана.

Теоретическаяоценка величины J 0 показывает, что для различных систем значение J 0 можетизменяться в широких пределах от 1030 до 1045 см–3с–1.Лабораторные работы.Работа5.1.Гомогенноеобразованиезародышейновойфазыприкристаллизации из расплава.Цель работы: изучение процесса гомогенного образования зародышейновой фазы при кристаллизации олова из расплава; определение свободнойэнергии образования критического зародыша ΔGmax , радиуса критическогозародыша rc и удельной свободной поверхностной энергии.Процессгомогенногообразованиязародышейновойфазыприкристаллизации из расплава удобно изучать в системах, представляющихдисперсию исследуемого вещества в дисперсионной среде.

В этих условиях притемпературах,нижетемпературыплавленияисследуемоговещества,образование зародышей в каждой капле расплава происходит независимо, авозникновение зародыша приводит к кристаллизации только одной капли. Это55позволяет наблюдать процесс независимого возникновения большого числазародышей и с высокой точностью определять среднюю частоту образованиязародышей новой фазы: J = 1 /(vΔt ) , где v – средний объем капли, Δt – времязатвердевания. Вместе с тем сводится к минимуму влияние постороннихпримесей на образование зародышей новой фазы (т.е. сводится к минимумувероятность гетерогенной нуклеации).Известно, что процессы плавления и затвердевания сопровождаютсявыделениемилипоглощениемтепла.Вданнойработеиспользуетсятермический метод регистрации тепловых эффектов при плавлении изатвердевании олова.

Метод основан на измерении разности температур междуисследуемым образцом и эталоном. В качестве эталона используется суспензиякарбонильного железа в силиконовом масле. В исследуемом интервалетемператур карбонильное железо не меняет агрегатного состояния. Напротив,при плавлении и затвердевании суспензии олова происходит поглощение ивыделение тепла, соответственно. Это приводит к возникновению разноститемператур ΔT между эталоном и исследуемой системой. Таким образом, назависимости температуры T от времени t в исследуемом диапазоне температур(рис.5.1)будутнаблюдатьсяпики,соответствующиеплавлениюикристаллизации частиц олова. По полученным данным можно определитьвеличину переохлаждения ΔT * , т.е.

разность между температурами плавленияТпл и затвердевания Тк частиц олова. Процесс кристаллизации частиц оловапротекает за время Δt , которое находят как разность времён, tн и tк ,соответствующих началу и пику затвердевания (рис. 5.1).56Рис. 5.1. Зависимость, иллюстрирующая тепловые эффекты в суспензии олова всиликоновом масле при нагревании и охлаждении.Средняя частота образования зародышей новой фазы при этом будетравнаJ = 1 /(vΔt ) ,гдеv– объем капли,Δt– время затвердевания.Предполагается, что дисперсия олова в силиконовом масле близка кмонодисперсной.

Зная величину J 0 и используя уравнение (5.4) определяютсвободную энергию Гиббса образования критического зародыша ΔGmax поуравнению:ΔGmax = kT (ln J 0 − ln J ) .(5.5)Теоретическая оценка величины J 0 для фазового перехода расплав–кристаллдает значение близкое к 1045 м–3 с–1.Изменение химического потенциала при кристаллизации из расплаваможно выразить через разность температур плавления и кристаллизации:Δμ = LΔT * / Tпл , где ΔT * = Tпл − Tк , L – теплота плавления. С учетом выражения дляΔμ , свободная энергия Гиббса образования критического зародыша ΔGmax будетравна:ΔGmax =Экспериментальноплавлениеми16 3 ⎛ VmTпл ⎞.πσ ⎜* ⎟3⎝ LΔT ⎠определяютзатвердеванием(5.6)разностькапелеколова.температурΔT *Рассчитываютмеждузначениесвободной энергии Гиббса образования критического зародыша ΔGmax поуравнению (5.5), величину удельной свободной межфазной энергии и радиус57критического зародыша новой фазы определяют, используя следующиесоотношения:1/ 3⎛ 3ΔGmax (ΔT * L) 2 ⎞σ=⎜⎟ ;2⎝ 16π (TплVm ) ⎠rc =2σVmTпл.LΔT *(5.7)(5.8)Порядок выполнения работы:1.

В 2–х. металлических пробирках готовят суспензии олова икарбонильного железа в силиконовом масле с концентрацией дисперсной фазыпо указанию преподавателя.2. Помещают пробирки в муфельную печь.3. Тщательно перемешивают обе суспензии до сметанообразнойконсистенции.4. В каждую пробирку погружают термопары. Термопары должны бытьпогружены на 1/4 – 1/3 своей длины.5.

Помещают третью термопару в муфельную печь.Работа выполняется в автоматическом режиме на приборе МПР51 «Овен». Спомощью специальной программы обеспечивается температурный режимпроцесса: быстрый нагрев в области температур до 1500С; медленный нагрев дотемпературы плавления Тпл и охлаждения до 500С.Результаты эксперимента (время и соответствующие ему температуры образца,эталона и печи) фиксируются с помощью компьютерной программы «mpr51reporter».6. Включают тумблер на приборе МПР51 «Овен». На дисплее загорится«время» 0:00; «параметр» – температура (кнопкой можно просмотретьтемпературу на всех 3–х. термопарах); «шаг» 01 – нагрев; «влажность» –номер выполняемой программы «01».7. Включают воздушное охлаждение.8.