Сыйымдылыы
 Скачать 228.11 Kb.
|
Cu0.8 Al 0.6 0.4 0.20 100 200 300 Т,К 1.4-сурет Металдық кристалдың жылу сыйымдылығы Атомдық кристалдан босаған валентті электрондар иондардан құралған торда жылжи алады. Егер еркін электрондарға классикалық көріністерді берсек, онда металдың кристалдық жылу сыйымдылық қорына 3 kN, мұнда N-бір 2 моль кристалдағы еркін электрондар саны (Авогадро тұрақтысы бір валентті металдарға арналған). Сондықтан металдың молярлық жылу сыйымдылығы = С =3R+ 3 R 9 R (1.25) V 2 2 Дебайдың температурасынан үлкен температурада металдың жылу сыйымдылығы диэлектриктен айырмашылығы өте аз. Ал Дебайдың температурасынан кіші температураларда металдың жылу сыйымдылығы мына заңмен өзгереді, С=𝛼T3 +T V (1.26) Дебайдың температурасынан үлкен температурада металдың жылу сыйымдылығы диэлектриктен айырмашылығы өте аз. Ал Дебайдың температурасынан кіші температураларда металдың жылу сыйымдылығы мына заңмен өзгереді, С=𝛼T3 +T V (1.27) V (𝛼 және тұрақтылар) С-ны төмен температурада эксперимент арқылы зерттеген кезде 𝛼 және -нің мағынасы анықталады. 1.5-суретте С V-нің T T2 -қа эксперименттік қатынасы келтірілген. Қиылысу нүктесінің осьтік ординатасының жалғасы анықтайды, ал қисайған түзу - 𝛼 параметрі. Ал қатты төмен температураларда металдың жылусыйымдылығын екінші түрімен V анықтаймыз және онда С сызығы температураға тәуелді. Бұндай құбылысты түсіндіру үшін электрондық газдың температуралық энергиямен анықтауы қажет. Электрондар металдарда потенциалдық жәшікте қозғалған бөлшек сияқты қозғалады. Оның өлшемі кристалдың өлшемімен анықталады. Фесептеу тәсілін электромагниттік өріспен тығыз өріс толқындарынан қарастырдық. 2 4 2L 3 ∣ Ф= 𝑢 ∣p∣ , (1.28) 𝖩 8 3 h ∣ - де Бройлдің толқын ұзындығы, L-кубтың қабырғасы, h-Планк тұрақтысы. Осының бәрі 1 моль металл үшін. nкванттық сан арқылы Ф-ні n 3 Ф 𝑢 =3 (1.29) Енді біз ең басты мәселе Паули принципіне тірелдік, онда жүйені құрайтын электрон өткізгіштер әр түрлі энергиямен қамтамасыз етілуі керек. Сондықтан T=0 температурада олар Ф=N=nL3 0 (1.30) Ең кіші энергиядан бастау ол кванттық жағдай. Осы жерден максималь энергиямен максималь импульске сәйкес келетін nF- ті табуға болады: 3n0 1 / 3 n =L∣ ∣ F 𝑢 𝖩 F T=0 да n - ке сәйкес температураны табамыз. h2 n2 - E =FF 8L2 m (1.31) (1.31)-дағы EF ті металдар үшін анықтауға болады, оның шешімі 5 эВ тең т.б. және абсолют нөлде металл ішіндегі электрондар өз орынын алады. Абсолют нөлдегі температурада энергияның nF-тің ең максималь мәні болған жағдайын итальян физигі атымен Ферми деңгейі деп аталды. = T 1 E  F k F- Ферми температурасы - Ферми жылдамдығы деп аталады.Фермидің температурасы металдар үшін ондаған мың Кельвинді құрайды, ал Ферми жылдамдығы болса – секундына млн. метрді құрайды екен. 1.4 -ші кестеде көп таралған металдар үшін Фермидің температурасы мен жылдамдығы берілген.
1.4-кесте  СV Т Т2 1.5- сурет Эксперименттегі зерттеулер бойынша электрондардағы абсолют нөлдік температура деңгейдегі күрт өсетін энергия мағынасын электрондық газдың жылу сыйымдылығының ерекшелігінің арқасында деп түсінеміз. Металды қыздырған кезде жылулық қозуға тек энергиясы Ферми энергиясынан шамамен kT-ға айырмашылығы бар электрондар ұшырайды. Екі энергиялардың айырмашылығының саны N1 kT ол : T NN 1 0 E F N F 0 E F (1.32) Әр қозған электрон қосымша шамамен kTэнергияға ие болады. Сол себептен Т температурада қыздырған кезде электрондардың толық қосымша энергиясы : T2 T2 E=Nk R 0 T T F F (1.33) Осыдан молярлық жылу сыйымдылықтың электрондық аймағына C =dE=2RT, V dT T F (1.34) V C ол Т-ға пропорционал. Бөлме температурасында 3/2R, бұл жағдайда металдың жылу сыйымдылығында электрондық газдың қоры жоқ деген сөз. Ферми энергиясына жауап беретін көптеген металдарда жоғарғы температурада электрондық жылу сыйымдылық байқалмайды. Бірақ төмен температурада (Т<1 К) тордағы тербеліс күрт өзгеріп төмендейді және Т3 -ке пропоционал өзгеріп, электронның жылу сыйымдылыққа беретін қорын анықтайды. Ал абсолюттік нөлге жақындағанда металдың жылу сыйымдылығы температураға пропоционал болады. .Жаңа керамикалық материалдардың құрлымы және қасиеттері. Қатты денелердің негізгі қасиеттерінің біріне олардың жылу физикалық қасиеттері ,атап айтқанда жылу сыйымдылығы жатады. Жылу сыйымдылық денені сипаттайтын негізгі шама.Жылу сыйымдылығын білу арқылы заттың құрылысын ,атомдардың және молекулалардың өзара әсерін зерттеуге болады. Сондай- ақ қатты немесе сұйық күйдегі денелерді зерттеуге қолданылады. Жүйенің жылу сыйымдылығын ,қандай болмасын бір процесс кезінде дененің температурасын өзгерту үшін денеге берілген жылу мөлшерінің қатынасы түрінде қарастырылады. Жүйенің нақтылы және орташа сыйымдылығын айырады. Орташа жылу сыйымдылық t0 - денt0 2 1 C Q =t0 - t0 2 1 (1.35) Нақты жылу сыйымдылығын температураның өте аз шамаға өзгерген шартында анықталады. (1.36) dQ Cна = dt Жылу сыйымдылығын бұлай анықтау тәсілі кез келген жүйеге,бір немесе бірнеше компоненттен тұратын, бір немесе бірнеше фазалы денелерге қолдануға болады. Практикада меншікті және мольді жылу сыйымдылығын қолдану ыңғайлы. Меншікті жылу сыйымдылығын С деп бір өлшем массаға берілетін жылу сыйымдылығын айтады. Мольдің жылусыйымдылығы деп бір моль затқа берілетін жылу мөлшерін айтады. Меншікті жылу сыйымдылығы денелерді қыздыру үшін қажетті жылу мөлшерін анықтау үшін және суыған кезде денелердің бойынан шығатын жылу мөлшерін анықтау үшін қажет. 2 1 Q=Cm(t0 - t0 ) (1.37) Әр түрлі қатты денелердің жылу сыйымдылығы әртүрлі болады. Мольдік (атомдық) меншікті жылусыйымдылығы мына қатынас арқылы сипатталады: (1.38) C = C мұндағы µ- дененің мольдік салмағы ,ол жоғары температурада бірдей мәнде болады. Енді осы қатты денелердің ішіндегі керамикалық материалдарға тоқталайық. Керамикалақ құрылыс материалдарының табиға лай топырақтан жасалатынына баршаға мәлім. Соңғы жылдарда керамика бұйымдарын әртүрлі өнеркәсіп қалдықтарынан (неорганикалық заттар) жасауға мүмкіндік беретін үнемшіл прогрессивті технологиялық жолдар ойлап табылды. Мысалы, кейінгі жылдары жүргізілген зерттеулер нәтижесінде (физикалық,химиялық,технологиялық көмір байыту фабрикасындағы қалдықтар) шылақ,төгінді қалдықтар және жылу электр станцияларының күлдері т.б көмір қалдықтары ,күл материалдары сияқты құрамында белгілі мөлшерде отын қалдықтары бар заттардан физикалық және қасиеттері жоғары керамикалық материалдарды дайындау мүмкіндіктері ашылды. Бұл күндері жылу электр станцияларында жыл сайын бөлінетін миллондаған тонна күлден өте тиімді керамикалық қабырға материалдарын жасауға әбден болатыны толық дәленденді. Жылу электр станцияларының күлін өндірісте кеңінен тараған пластикалық әдіспен ,яғни керамикалық қабырға материалдарын дайындау барысында негізгі шикі зат есебінде пайдалану мүмкіндіктері елімізде ең алғаш Алматы Құрылыс материалдары ғылыми -зерттеу және жобалау институтының керамикалақ материалдар лабораториясында 1970 жылдан бастап жүргізіле бастады. Жылу электр станцияларының күрделі пластикалық қасиеті жоқ. Белгілі жылулық өндеуден өткен силикатты материал.Сондықтан олардың құрамына жергілікті пластикалық лай топырақтарды енгізу арқылы иемденгіш қоспаларға қол жетті. Алғашқы лабораториялық жағдайларда құрамының 65-85 %(массасы бойынша ) күлден тұратын кішкентай керамикалық (үлгілер) материалдар жасалады.Бірақ, бұлардың беріктігі ойдағыдай болмай шықты көп кешікпей мұның себебі лай топырақ пен күлдің толық арыласпауы мен жетіспегендігі екендігі анықталды. Осындай тәжірибелерден кейін шахта құрамына қосылатын лай топырақты құрғақ ұнтақ күйінде енгізуге cондай-ақ лабораториялық үлгілерді ,бұйымдарды араластырғыш және престеу машиналарының өндеуінен бұрыстан дайындалады. 1976 жылдың жаз айларының бірінде Теміртау қаласындағы “Өнеркәсіп құрылыс индустрия” комбинатының бір цехында елімізде бұрын шығарылмаған ерекше құрылыс материалдары дүниеге келді. Сыртқы формасы мен түсінің кәдімгі лай кірпіштен еш айырмасы жоқ болғанмен ,салмағы едәуір жеңіл екендігі анықталды. Бұл Алматы құрылыс материалдары ғылыми-зерттеу және жобалау институтының ғалымдары мен инжинерлерінің жергілікті шикізаттарды пайдалана отырып күл керамикасының технологиясын ең алғаш өндіріс жағдайында сынақтан өткізу барысында жасалған күл кірпіштері еді. Әрине жаңа құрылыс материалдарының ең басты ерекшелігі оның салмағында болып отыр. Әр күл кірпіш лай кірпішінің салмағына қарағанда 700 граммдай жеңіл болды. Күл материалдарының ерекшеліктері әсіресе кептіру және күйдіру процесінде айқын байқалады. Әдетте ішкі бұйымдар өндіріс жағдайында тунельді немесе камералық кептіргіштерде белгілі режимдер бойынша кептіріледі. Бұл технологиялық кезеңнің ең басты мақсаты шикі бұйымдарды 4-6% шамасындағы ылғалдылыққа мүмкіндігінше тез арада материалды бұзып алмай кептіру болып табылады. Енді күлден жасалған шикі бұйымдарды кептіру проценттернің әдеттегі лай бұйымдармен салыстырғанда қандай ерекшеліктері бар. Күл материалдарын кептіру барысында көлемінің кішіреюі (отыруы) кәдімгі лай материалдарына қарағанда 5-10 еседей аз. Бұл көрсеткіш ең әуелі шахта құрамындағы күлмен лай арақатынасынан ,сондай-ақ олардың құрамы мен қасиеттеріне байланысты өзгеріп отырады. Шикі күл бұйымдарын кептіру барысында оның көлемінің кішіреюі екі кезекте өтеді екен. Біріншіден, алғашқы 3-5% ылғалдылық кебу кезінде күл бұйымдарының көлемі тез кішірею жылдамдығы жоғары ылғалды жағдайында тез арттыруға мүмкіндік береді. Екіншіден ,күл бұйымдарының ылғал өткізгіштік қасиеттері лай бұйымдарына қарағанда 4-5 есе жоғары болып шықты. Бұл ерекшелікте күл бұйымдарын кептіру процестерінің лайға қарағанда жылдамырақ жүруіне жағдай жасайды. Осындай кептірілген материалдардан тастай берік керамикалық бүйымдар алу үшін, оларды өндірістік (тунельді сақиналы) пештерде 1100°-1150°C температурада оттекті немесе оттекті қалыптастырғыш газды ортада күйдіру қажет. Күйдіру барысында бұл материалдардың бойында күрделі физикалық және химиялық процесстер жүреді. Әдетте лай бұйымдары мұндай құбылыстарды көбіне жылуды жұту (эндотермиялық эффект) арқылы жүріп, едәуір отын көзінің шығындалуына әкеліп соғады. Кейбір лай материалдарын күйдіру кезінде жоғары температуралар аймағында жылуды бөлу арқылы (экзотермиялық эффект) өтетін құбылыстар байқауы мүмкін. Бірақ бұл материалдарда эндотермиялық құбылыстары басым болады. Осындай құбылыстар күйдіріліп жатқан шикі бұйымдардың бойынан айтарлықтай мөлшерде түрлі газдардың бөлініп, масса алмасу процесстерінің жүруіне әкеліп соғады. Күл бұйымдарын күйдіру процесстері әдеттегі лай бұйымдарына қарағанда біраз ерекшелігі бар.Бұл ерекшеліктер көмір тозаңының жылу электр станциаларының қазандықтарында жағу кезінде жоғары температурада өндеуден өткен күл материалдарының құрамы мен қасиеттеріне ,әсіресе олардың бойында жаңбай қалған кокс түйіршіктернің болуына байланысты, яғни күл бұйымдарын күйдіру барысында, 340-1050°температура аралығында (оттекті ортада ) материал бойындағы осы кокс бөлшектерінің жануы арқылы белгілі мөлшерде жылу бөлініп,оның біркелкілік қызуын қамтамасыз етеді. Қорыта айтқанда,бұл жану процессі күл бұйымдары неғұрлым жұқа және тығыздығы төмен болса, соғұрлым тез жүретіндігі белгілі болды. Күл бұйымдарының бойындағы кокс қалдықтарының жанып біту ұзақтығы газды ортадағы оттегінің материалдың ішіне енумен шектеледі. Ал,бұл диффузиялық процесстің жылдамдығы газды ортаның температурасына, бұйымның беттік ауданына ,тығыздығына ,шикізат құрамына т.б. қасиеттеріне байланысты. Сонымен зерттеу жұмыстарының нәтижесінде анықталған күл материалдарының күйдіру процесстерінің осындай ерекшеліктерін ескере отырып, оларды оттекті, оттекті қалыптастырғыш ортада белгілі жылдамдықпен қыздырып ,1100-1150°С температурада 2-6 сағат бойы қақтау арқылы тамаша қасиеті бар бұйымдар алуға болатыны толық дәленденді. Олардың сапалық көрсеткіштері кәдімгі лай бұйымдарына қарағанда едәуір жоғары екендігі анықталды. Бүгінгі ғылым мен техника қарқынды дамыған заманымызда күл керамикасы сияқты жаңа материалдардың дүниеге келуіне байланысты негізгі шикі зат көзі де өзгеріске ұшырады. Алдыңғы уақытта құрылыс материалдарының қандай сапасы болмасын табиғи шикізаттарды мүмкіндігінше өндіріс қалдықтарымен кенінен алмастыру көзделіп отыр. Себебі күл бұйымдарының жылу сақтағыштық,дыбысты өткізбеу сияқты қасиеттеріне байланысты. Жаңа күл керамикасының аязға тұрақтылығы лайдан жасалған әріптестерінен бірнеше есе асып түсетіндігі белгілі болып отыр. Мұнын себебін олардың жалпы беріктігімен , содан соң құрлымдық ерекшеліктерімен түсіндіруге болады. Бұл диплом жұмысының негізгі мақсаты күл керамикасы сияқты жаңа материалдардың жылу сыйымдылығының температураға тіуелділігін зерттеу болғандықтан негізгі мәселеге келейік.Алдымен тәжірибелік жұмыстарды пайдаланған зерттелген объектілер жөнінде және тәжірибелік қондырғы мен оның методикасына тоқталып өтеміз. |