الكيمياء الحرارية في معالجة المواد كجزء من هندسة السطح، تستخدم المعالجة الكيميائية الحرارية الانتشار الحراري لربط الذرات غير المعدنية أو المعدنية بسطح المادة لتغيير تركيبها الكيميائي وبنيتها المجهرية.
تتم العملية في وسط صلب أو سائل أو غازي مع عنصر كيميائي نشط واحد أو أكثر في نفس الوقت، لذا ترقب المقالات الموجودة على الموقع للتعرف على الكيمياء الحرارية في معالجة المواد.
الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية أو التحولات الفيزيائية.
يمكن أن يطلق التفاعل الطاقة أو يمتصها، ويمكن أن يحدث تغيير في الطور بالطريقة نفسها التي يحدث بها الذوبان والغليان.
تركز الكيمياء الحرارية على تغيرات الطاقة هذه، لا سيما تبادل الطاقة للنظام مع محيطه.
تعتبر الكيمياء الحرارية مفيدة أيضًا للتنبؤ بكمية المواد المتفاعلة والنواتج أثناء تفاعل معين.
بالاقتران مع تعريف الانتروبيا، يتم استخدامها أيضًا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل تلقائيًا (عفويًا) أو غير تلقائي.
تمتص التفاعلات الماصة للحرارة الحرارة وتطلق التفاعلات الطاردة للحرارة الحرارة.
تجمع الكيمياء الحرارية أيضًا بين مفاهيم الديناميكا الحرارية ومفهوم الطاقة في شكل روابط كيميائية.
عادة ما يتضمن هذا الموضوع حسابات الكميات مثل السعة الحرارية، حرارة الاحتراق، حرارة التكوين، المحتوى الحراري، الانتروبيا، الطاقة الحرة، والسعرات الحرارية.
انظر أيضًا: دراسة متعمقة لأهمية الكيمياء في حياتنا اليومية
تاريخ موجز للكيمياء الحرارية
تقوم الكيمياء الحرارية على تعميمين ويتم وصفهما بالمصطلحات الحديثة على النحو التالي:
- قانون لافوازييه ولابلاس (1780 م): أي تغيير في الطاقة يصاحب أي تحول مساوٍ ومعاكس للتغيير في الطاقة يصاحب العملية العكسية.
- قانون هيس (1840 م): تغيير الطاقة المرتبط بأي تحول هو نفسه سواء كانت العملية من خطوة واحدة أو متعددة الخطوات.
هذه العبارات سبقت وساعدت في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845 م)، كما قام لافوازييه ولابلاس وهيس بدراسة الحرارة النوعية والكامنة.
على الرغم من أن جوزيف بلاك هو الذي قدم أهم مساهمة في تطوير تغييرات الطاقة المحتملة.
أظهر Kirchhoff في عام 1858 أن الفرق في حرارة التفاعل يتم الحصول عليه من خلال الفرق في السعة الحرارية بين المنتجات والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = Cp.
يسمح لنا دمج هذه المعادلة بتقدير حرارة التفاعل عند درجة حرارة واحدة من قياسات عند درجة حرارة أخرى.
قياس السعرات الحرارية
يتم إجراء قياس التغيرات الحرارية باستخدام مقياس المسعر، عادة في غرفة مغلقة تحدث فيها التغييرات التي سيتم التحقيق فيها.
تتم مراقبة درجة الحرارة في الغرفة بواسطة مقياس حرارة أو مزدوج حراري ويتم رسم درجة الحرارة مقابل الوقت لإنتاج رسم بياني يمكن من خلاله حساب الكميات الأساسية.
غالبًا ما تكون المسعرات الحديثة مجهزة بأجهزة أوتوماتيكية للقراءة السريعة للمعلومات، ومن الأمثلة على ذلك مسعر المسح التفاضلي (DSC).
الأنظمة
العديد من التعريفات الديناميكية الحرارية مفيدة جدًا في الكيمياء الحرارية ؛ النظام هو جزء متميز من الكون قيد الدراسة. أي شيء خارج النظام يعتبر محيطًا أو بيئة. يمكن أن يكون النظام:
- نظام معزول (تمامًا) لا يمكنه تبادل الطاقة أو المادة مع ما يحيط به، مثل مسعر القنبلة المعزول.
- أيضًا، نظام معزول حراريًا يمكنه تبادل الحركة الميكانيكية ولكن ليس الحرارة أو المادة، مثل المكبس أو البالون المعزول المعزول.
- نظام معزول ميكانيكيًا يمكنه تبادل الحرارة ولكن ليس العمل الميكانيكي أو المادة، مثل مسعر القنبلة غير المعزول.
- أيضًا نظام مغلق يمكنه تبادل الطاقة ولكنه ليس ضروريًا، مثل المكبس أو البالون المغلق غير المعزول.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل المادة والطاقة مع محيطه، مثل وعاء الماء المغلي.
تحرير
كانت النترجة ولا تزال المعالجة الكيميائية الحرارية الأولية التي، إلى جانب نيتروكربون الحديد، هي النطاق المهيمن لتقنيات تعديل السطح الصناعي.
تؤدي المعالجة أيضًا إلى دمج النيتروجين في سطح الفولاذ أثناء وجوده في الحالة الحديدية.
في التطبيقات التجارية، المساحة النموذجية المعدلة هي 200-300 ميكرومتر، ونادراً ما تتجاوز 600 ميكرومتر.
يتجلى تأثيرها في توزيع صلابة السطح من حيث القيمة القصوى وعمق الاختراق.
بالمقارنة مع المعالجات الحرارية الأخرى والكيميائية، لا يلزم إجراء معالجة حرارية إضافية بعد النيترة.
يتعرض سطح المكون أيضًا لمزيد من الصلابة ومقاومة التآكل.
تابع أيضًا: موضوع حول العنصر الأول في الجدول الدوري للكيمياء
طرق النيترة متاحة حاليًا
لإدخال النيتروجين، تم تسويق العديد من الطرق وتم التحقق من مصادر مختلفة للنيتروجين. فيما يلي طرق النيترة المتاحة:
نترتة الغاز
تم تسجيل براءة اختراع نيترة الغاز في عامي 1913 و 1921 ويتم إجراؤها عادةً في درجات حرارة تتراوح بين 550-580 درجة مئوية في صندوق فرن أو طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا المنفصلة جزئيًا.
مزايا سرير الغليان هي التوحيد المثالي لدرجة الحرارة في جميع أنحاء حجم جزيئات الغاز.
معدل تسخين سريع بالنسبة إلى النترات الغازية، يكون التفاعل الرئيسي هو التحلل التحفيزي للأمونيا مع تكوين النيتروجين (الأولي):
NH3 = [N] + 3/2 H2
تشمل معلمات التحكم الوقت ودرجة الحرارة ومعدل انحلال الغاز، وفي ظروف الإنتاج يتم قياس وضبط الأخير بشكل دوري.
السمية المتأصلة في النيتروجين الغازي التقليدي هي أن تركيز النيتروجين السطحي لا يمكن التحكم فيه بدقة.
نتيجة لذلك، غالبًا ما تفتقر بنية طبقة النيتروجين والعملية بأكملها إلى القدرة على التنبؤ والتكرار.
نيترة الملح السائل
يتم إجراء النترجة السائلة، التي تم تطويرها في الأربعينيات، في حمام من الملح المصهور الذي يحتوي على السيانيد أو السيانات.
يتكون الحمام التجاري النموذجي من خليط من 60-70٪ أملاح صوديوم {96.5٪ NaCN، 2.5٪ Na2CO3، 0.5٪ NaCNO}.
و30-40٪ أملاح البوتاسيوم {96٪ KCN، 0.6٪ K2CO3، 0.75٪ KCNO، 0.5٪ KCl}.
معدات نيترة الملح التجارية مدمجة مع تقنيات الغاز والبلازما، والميزة الرئيسية لها هي دورة زمنية قصيرة بسبب التسخين المكثف ووسط التفاعل العالي.
هناك عدة طرق لزيادة تسريع معدل النترجة، مثل إضافات حمام الكبريت أو ضغط الذوبان.
بشكل نموذجي، بالنسبة للفولاذ منخفض السبائك، ينتج عن وقت دورة يبلغ 1.5 ساعة عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 565 درجة مئوية صندوق بسمك 0.3 مم.
تتميز تقنية حمامات الملح بعدد من السمات السلبية، مثل سمية الحمام وانخفاض جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
يتم استخدام ظاهرة تفريغ التوهج لإدخال النيتروجين الناتج على سطح السبيكة وانتشاره اللاحق في الطبقات تحت السطحية.
يتم إنشاء البلازما في فراغ باستخدام الطاقة الكهربائية عالية الجهد لتسريع أيونات النيتروجين التي تقصف سطح السبيكة.
نيترة الليزر
في العقدين الأخيرين، كطريقة بديلة للنترة، تمت دراسة نيترة الليزر، وأثناء التخليق المباشر بالليزر، يتم وضع المادة في بيئة غازية تفاعلية وتشعيعها بضوء الليزر.
يتم تغذية النيتروجين أيضًا من خلال فوهة في حوض الذوبان على نطاق زمني يصل إلى مئات النانو ثانية.
إشعاع الليزر النبضي عالي الكثافة I ≈ 108 واط / سم 2 في جو النيتروجين المحيط قادر على تكوين طبقة نيتريد بسمك 1 إلى 1.5 ميكرومتر.
طبقة النيتروجين وتأثيرها على خواص الركيزة
يغير النيتريد بشكل أساسي الخصائص المتعلقة بالسطح، ولكن وجود حالة النيتريد يؤثر أيضًا على خصائص الكتلة للمادة الموجودة في حالة النيتريد والمكون بأكمله.
اخترنا لكم: دراسة مكتشف قانون ضغط السائل في الكيمياء
في نهاية الكيمياء الحرارية في معالجة المواد، تعد هندسة الأسطح طريقة جذابة تقنيًا ومجدية اقتصاديًا لتحسين الطبقة السطحية للمواد، حيث يتحكم سطح المادة في العمر في العديد من التطبيقات.