Поверхнева та внутрішня енергія металу

Металеві вироби формують основну базу інфраструктурного забезпечення інженерних комунікацій, виступають сировиною для машинобудівної промисловості і будівництва. В кожній із зазначених галузей використання таких елементів сполучається з високою відповідальністю. На монтажні та комунікаційні конструкції впливають і хімічні та механічні навантаження, що обумовлює необхідність первинного аналізу властивостей матеріалу. Для розуміння експлуатаційних параметрів використовується таке поняття, як енергія металу, яка визначає поведінку окремого елемента або конструкції в тих чи інших умовах експлуатації.

Вільна енергія

Безліч процесів у структурі металевих виробів визначається характеристиками вільної енергії. Наявність в матеріалі іонів з таким потенціалом призводить до їх переміщення в інші середовища. Наприклад, в ході взаємодії з розчинами, що містять аналогічні іони, металеві елементи йдуть в контактну суміш. Але це відбувається у випадках, коли вільна енергія металів перевершує аналогічні показники в розчині. В результаті може сформуватися позитивна обкладка подвійного електричного поля за рахунок вільних електронів, що залишилися поблизу металевої поверхні. Зміцнення даного поля також виступає бар'єром для проходження нових іонів – таким чином, створюється межа розділу фаз, що перешкоджає переходам елементів. Процес такого переміщення продовжується до того моменту, поки у новоствореному поле не буде досягнута гранична різниця потенціалів. Пікова межа визначається балансом різниць потенціалів в розчині і металі.

Поверхнева енергія

При попаданні нових молекул на металеву поверхню відбувається освоєння вільних зон. В процесі переміщення молекули займають на поверхні мікротріщини і ділянки розділу дрібних зерен – це сегменти кристалічної решітки. За такою схемою відбувається зміна вільної поверхневої енергії, яка знижується. У твердих тілах також можна спостерігати процеси полегшення пластичного течії на поверхневих ділянках. Відповідно, поверхнева енергія металів обумовлюється силами притягання молекул. Тут же варто відзначити величину поверхневого натягу, яка залежить від декількох факторів. Зокрема, її визначає геометрія молекул, їх сили і кількість атомів у структурі. Також має значення й розташування молекул у поверхневому шарі.

Поверхневе напруження

Зазвичай процеси натягу відбуваються в гетерогенних середовищах, які відрізняються поверхнею розділу незмішуваних фаз. Але слід зауважити, що поряд з натягом проявляються й інші властивості поверхонь, обумовлені параметрами їх взаємодії з іншими системами. Сукупність цих властивостей визначає більшість технологічних показників металу. У свою чергу, енергія металу, з точки зору поверхневого натягу, може визначати параметри коалесценции крапель в сплавах. Технологи, таким чином, виявляють характеристики вогнетривів і флюсів, а також їх взаємодію з металевої середовищем. Крім цього, поверхневі властивості впливають на швидкість термотехнологических процесів, серед яких виділення газів і спінювання металів.

Зонування енергії і властивості металу

Вже зазначалося, що конфігурація розподілу молекул за структурою металевої поверхні може визначати окремі характеристики матеріалу. Зокрема, специфічний відблиск багатьох металів, а також їх непрозорість обумовлюються розподілом енергетичних рівнів. Скупчення енергій у вільних і зайнятих рівнях сприяє наділення кожного кванта двома енергетичними рівнями. Один з них буде перебувати в зоні валентності, а інший — в ділянках провідності. При цьому не можна сказати, що розподіл енергій електронів в металі є стаціонарним і не передбачає змін. Елементи валентної зони, наприклад, можуть поглинати світлові кванти, мігруючи в зону провідності. В результаті світло поглинається, а не відбивається. З цієї причини метали мають непрозору структуру. Що стосується блиску, то його обумовлює процес випущення світла при поверненні активізованих випромінюванням електронів на низькі рівні енергії.

Внутрішня енергія

Цей потенціал формується енергією іонів, а також тепловим рухом електронів провідності. Побічно ця величина характеризується власними зарядами металевих структур. Зокрема, для сталі, яка перебуває в контакті з електролітами, автоматично встановлюється власний потенціал. Із змінами внутрішньої енергії пов'язано багато несприятливі процеси. Наприклад, за цим показником можна визначити корозійні та деформаційні явища. У таких випадках внутрішня енергія металу обумовлює наявність мікро - та макронарушений в структурі. Більш того, часткове розсіювання даної енергії під дією тієї ж корозії і забезпечує втрату певної частки потенціалу. На практиці експлуатації металевих виробів негативні фактори зміни внутрішньої енергії можуть проявлятися у вигляді структурних руйнувань і зниження пластичності.

Енергія електрона в металі

При описах сукупності частинок, які взаємодіють між собою у твердому тілі, застосовуються квантово-механічні уявлення про енергії електронів. Зазвичай використовуються дискретні значення, які визначають характер розподілу даних елементів за рівнями енергії. У відповідності з вимогами квантової теорії, вимірювання енергії електронів проводиться в електрон-вольтах. Вважається, що в металах потенціал електронів на два порядки перевищує енергію, яка розраховується з кінетичної теорії газів в умовах кімнатної температури. При цьому енергія виходу електронів з металів і, зокрема, швидкість руху елементів не залежить від температури.

Енергія іона в металі

Розрахунок енергії іонів дозволяє визначати характеристики металу в процесах плавлення, сублімації, деформації і т. д. зокрема, технологи виявляють показники міцності на розрив і пружність. Для цього вводиться і поняття кристалічної решітки, у вузлах якої знаходяться іони. Енергетичний потенціал іона зазвичай розраховується з урахуванням його можливості руйнівного впливу на кристалічна речовина з утворенням складових частинок. На стан іонів може вплинути і кінетична енергія електронів, выбиваемых з металів в процесі зіткнення. Оскільки в умовах підвищення різниці потенціалів в середовищі електродів до тисячі вольт швидкість переміщення частинок значно збільшується, накопичується потенціалу вистачає для розщеплення зустрічних молекул на іони.

Енергія зв'язку

Метали характеризуються змішаними типами зв'язку. Ковалентний та іонний зв'язки не мають різкого розмежування і часто перегукуються між собою. Так, процес зміцнення металу під дією легування і пластичного деформування пояснюється якраз перетіканням металевої зв'язки в ковалентное взаємодія. Незалежно від виду даних зв'язків, всі вони визначаються як хімічні процеси. При цьому у кожній зв'язку є енергія. Наприклад, іонне, електростатичної та ковалентное взаємодія може забезпечувати потенціал у 400 кДж. Від конкретної величини буде залежати і енергія металу при взаємодії з різними середовищами і під механічними навантаженнями. Металеві зв'язки можуть характеризуватися різними показниками міцності, але в будь-якому прояві вони будуть не співставні з аналогічними властивостями у ковалентних і іонних середовищах.

Властивості металевих зв'язків

Одним з першорядних якостей, які характеризують енергію зв'язків, є насичуваність. Дана властивість визначає стан молекул і, зокрема, їх структуру і склад. У металі частинки існують у дискретному вигляді. Передусім для розуміння експлуатаційних властивостей комплексних сполук застосовувалася теорія валентних зв'язків, однак в останні роки вона втратила своє значення. При всіх своїх перевагах дана концепція не пояснює низку мають велике значення властивостей. Серед них можна відзначити спектри поглинання в з'єднаннях, магнітні якості та інші характеристики. Зате при розрахунках енергії поверхні в металах можна виявити таку властивість, як займистість. Воно визначає здатність металевих поверхонь загорятися без детонуючих активаторів.

Стан металів

Більшість металів характеризується валентної конфігурацією з електронним будовою. В залежності від властивостей даної структури, визначається і внутрішній стан матеріалу. На основі цих показників і з урахуванням зв'язків можна зробити висновки про значення температури плавлення конкретного металу. Приміром, м'які метали, серед яких золото і мідь, відрізняються зниженою температурою плавлення. Це пояснюється зменшенням кількості не спарених електронів у атомів. З іншого боку, м'які метали мають високі показники теплопровідності, що, в свою чергу, пояснюється високою рухливістю електронів. До речі, метал, накопичує енергію в умовах оптимальної провідності іонів, забезпечує високу електропровідність за рахунок електронів. Це одна з найважливіших експлуатаційних характеристик, які визначаються металевим станом.

Висновок

Хімічні властивості металів багато в чому визначають їх техніко-фізичні якості. Це дозволяє фахівцям орієнтуватися на енергетичні показники матеріалу, з точки зору можливості його використання в тих чи інших умовах. Крім того, енергія металу не завжди може розглядатися в якості самостійної. Тобто власний потенціал може змінюватися в залежності від характеру взаємодії з іншими середовищами. Найбільш виразні зв'язку металевих поверхонь з іншими елементами на прикладі процесів міграції, коли відбувається заповнення вільних енергетичних рівнів.