Поверхностная и внутренняя энергия металла

Металлические изделия формируют основную базу инфраструктурного обеспечения инженерных коммуникаций, выступают сырьем для машиностроительной промышленности и строительства. В каждой из указанных областей использование таких элементов сопрягается с высокой ответственностью. На монтажные и коммуникационные конструкции воздействуют и химические, и механические нагрузки, что обуславливает необходимость первичного анализа свойств материала. Для понимания эксплуатационных параметров используется такое понятие, как энергия металла, которая определяет поведение отдельного элемента или конструкции в тех или иных условиях эксплуатации.

Свободная энергия

Множество процессов в структуре металлических изделий определяется характеристиками свободной энергии. Наличие в материале ионов с таким потенциалом приводит к их перемещению в другие среды. Например, в ходе взаимодействия с растворами, содержащими аналогичные ионы, металлические элементы уходят в контактную смесь. Но это происходит в случаях, когда свободная энергия металлов превосходит аналогичные показатели в растворе. В результате может сформироваться положительная обкладка двойного электрического поля за счет свободных электронов, оставшихся вблизи металлической поверхности. Укрепление данного поля также выступает барьером для прохождения новых ионов – таким образом, создается граница раздела фаз, препятствующая переходам элементов. Процесс такого перемещения продолжается до того момента, пока в новообразованном поле не будет достигнута предельная разность потенциалов. Пиковая граница определяется балансом разностей потенциалов в растворе и металле.

Поверхностная энергия

При попадании новых молекул на металлическую поверхность происходит освоение свободных зон. В процессе перемещения молекулы занимают на поверхности микротрещины и участки раздела мелких зерен – это сегменты кристаллической решетки. По такой схеме происходит изменение свободной поверхностной энергии, которая понижается. В твердых телах также можно наблюдать процессы облегчения пластического течения на поверхностных участках. Соответственно, поверхностная энергия металлов обуславливается силами притяжения молекул. Здесь же стоит отметить величину поверхностного натяжения, которая зависит от нескольких факторов. В частности, ее определяет геометрия молекул, их силы и количество атомов в структуре. Также имеет значение и расположение молекул в поверхностном слое.

Видео: Сверление металла

Поверхностное напряжение

Видео: Внутренняя энергия. Урок 43

Обычно процессы натяжения происходят в гетерогенных средах, которые отличаются поверхностью раздела несмешивающихся фаз. Но следует заметить, что наряду с натяжением проявляются и другие свойства поверхностей, обусловленные параметрами их взаимодействия с другими системами. Совокупность данных свойств определяет большинство технологических показателей металла. В свою очередь, энергия металла, с точки зрения поверхностного натяжения, может определять параметры коалесценции капель в сплавах. Технологи, таким образом, выявляют характеристики огнеупоров и флюсов, а также их взаимодействие с металлической средой. Помимо этого, поверхностные свойства оказывают влияние на скорость термотехнологических процессов, среди которых выделение газов и вспенивание металлов.

Зонирование энергии и свойства металла

Уже отмечалось, что конфигурация распределения молекул по структуре металлической поверхности может определять отдельные характеристики материала. В частности, специфический отблеск многих металлов, а также их непрозрачность обуславливаются распределением энергетических уровней. Скопление энергий в свободных и занятых уровнях способствует наделению любого кванта двумя энергетическими уровнями. Один из них будет находиться зоне валентности, а другой — в участках проводимости. При этом нельзя сказать, что распределение по энергиям электронов в металле является стационарным и не предполагает изменений. Элементы валентной зоны, к примеру, могут поглощать световые кванты, мигрируя в зону проводимости. В результате свет поглощается, а не отражается. По этой причине металлы имеют непрозрачную структуру. Что касается блеска, то его обуславливает процесс испускания света при возвращении активизированных излучением электронов на низкие уровни энергии.

Внутренняя энергия

Данный потенциал формируется энергией ионов, а также тепловым движением электронов проводимости. Косвенно эта величина характеризуется собственными зарядами металлических структур. В частности, для стали, которая пребывает в контакте с электролитами, автоматически устанавливается собственный потенциал. С изменениями внутренней энергии связаны многие неблагоприятные процессы. Например, по этому показателю можно определить коррозионные и деформационные явления. В таких случаях внутренняя энергия металла обуславливает наличие микро- и макронарушений в структуре. Более того, частичное рассеивание данной энергии под действием той же коррозии обеспечивает и потерю определенной доли потенциала. На практике эксплуатации металлических изделий негативные факторы изменения внутренней энергии могут проявляться в виде структурных разрушений и снижении пластичности.

Энергия электрона в металле

При описаниях совокупности частиц, которые взаимодействуют между собой в твердом теле, применяются квантово-механические представления об энергии электронов. Обычно используются дискретные значения, которые определяют характер распределения данных элементов по уровням энергии. В соответствии с требованиями квантовой теории, измерение энергии электронов производится в электрон-вольтах. Считается, что в металлах потенциал электронов на два порядка превышает энергию, которая рассчитывается по кинетической теории газов в условиях комнатной температуры. При этом энергия выхода электронов из металлов и, в частности, скорость движения элементов не зависит от температуры.

Видео: Изменение внутренней энергии

Энергия иона в металле

Расчет энергии ионов позволяет определять характеристики металла в процессах плавления, возгонки, деформации и т. д. В частности, технологи выявляют показатели прочности на разрыв и упругость. Для этого вводится и понятие кристаллической решетки, в узлах которой находятся ионы. Энергетический потенциал иона обычно рассчитывается с учетом его возможности разрушительного воздействия на кристаллическое вещество с образованием составных частиц. На состояние ионов может повлиять и кинетическая энергия электронов, выбиваемых из металлов в процессе столкновения. Поскольку в условиях повышения разности потенциалов в среде электродов до тысячи вольт скорость перемещения частиц значительно увеличивается, накапливаемого потенциала хватает для расщепления встречных молекул на ионы.

Энергия связи

Металлы характеризуются смешанными типами связи. Ковалентная и ионная связки не имеют резкого разграничения и зачастую перекликаются между собой. Так, процесс упрочнения металла под действием легирования и пластического деформирования объясняется как раз перетеканием металлической связки в ковалентное взаимодействие. Независимо от вида данных связей, все они определяются как химические процессы. При этом у каждой связи есть энергия. Например, ионное, электростатической и ковалентное взаимодействие может обеспечивать потенциал в 400 кДж. От конкретной величины будет зависеть и энергия металла при взаимодействии с разными средами и под механическими нагрузками. Металлические связки могут характеризоваться разными показателями прочности, но в любом проявлении они будут не сопоставимы с аналогичными свойствами в ковалентных и ионных средах.

Свойства металлических связей

Одним из первостепенных качеств, которые характеризуют энергию связей, является насыщаемость. Данное свойство определяет состояние молекул и, в частности, их структуру и состав. В металле частицы существуют в дискретном виде. Прежде для понимания эксплуатационных свойств комплексных соединений применялась теория валентных связей, однако в последние годы она утратила свое значение. При всех своих преимуществах данная концепция не объясняет ряд имеющих большое значение свойств. Среди них можно отметить спектры поглощения в соединениях, магнитные качества и другие характеристики. Зато при расчетах энергии поверхности в металлах можно выявить такое свойство, как воспламеняемость. Оно определяет способность металлических поверхностей возгораться без детонирующих активаторов.

Видео: Технология модификации "Графт-Полимер"

Состояние металлов

Большинство металлов характеризуется валентной конфигурацией с электронным строением. В зависимости от свойств данной структуры, определяется и внутреннее состояние материала. На основе этих показателей и с учетом связей можно сделать выводы о значениях температуры плавления конкретного металла. К примеру, мягкие металлы, среди которых золото и медь, отличаются пониженной температурой плавления. Это объясняется уменьшением количества не спаренных электронов у атомов. С другой стороны, мягкие металлы имеют высокие показатели теплопроводности, что, в свою очередь, объясняется высокой подвижностью электронов. Кстати, металл, накапливающий энергию в условиях оптимальной проводимости ионов, обеспечивает высокую электропроводность за счет электронов. Это одна из важнейших эксплуатационных характеристик, которые определяются металлическим состоянием.

Заключение

Химические свойства металлов во многом определяют их технико-физические качества. Это позволяет специалистам ориентироваться на энергетические показатели материала, с точки зрения возможности его использования в тех или иных условиях. Кроме того, энергия металла не всегда может рассматриваться в качестве самостоятельной. То есть собственный потенциал может изменяться в зависимости от характера взаимодействия с другими средами. Наиболее выразительны связи металлических поверхностей с другими элементами на примере процессов миграции, когда происходит заполнение свободных энергетических уровней.