الكيمياء الحرارية في معالجة المواد كجزء من هندسة السطح، تستخدم المعالجة الكيميائية الحرارية الانتشار الحراري، لدمج الذرات غير المعدنية أو المعدنية، على سطح مادة ما لتغيير تركيبتها الكيميائية وبنيتها المجهرية.
تتم العملية في وسط صلب أو سائل أو غازي مع عنصر كيميائي نشط واحد أو عدة عناصر كيميائية نشطة في نفس الوقت، لذلك اتبع موقع محمود حسونةة للتعرف على الكيمياء الحرارية لمعالجة المواد.
الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية المتضمنة في التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الفيزيائية.
يمكن أن يطلق التفاعل الطاقة أو يمتصها، كما يمكن أن يحدث تغيير في الطور، مثل الذوبان والغليان.
تركز الكيمياء الحرارية على تغييرات الطاقة هذه، لا سيما تبادل الطاقة في نظام مع بيئته.
تعتبر الكيمياء الحرارية مفيدة أيضًا في التنبؤ بكمية المواد المتفاعلة والمنتجات في دورة تفاعل معينة.
بالاقتران مع قرارات الانتروبيا، يتم استخدامه أيضًا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل تلقائيًا أم غير تلقائي.
تمتص التفاعلات الماصة للحرارة الحرارة، بينما تطلق التفاعلات الطاردة للحرارة الحرارة.
تجمع الكيمياء الحرارية أيضًا بين مفاهيم الديناميكا الحرارية، ومفهوم الطاقة في شكل روابط كيميائية.
يتضمن هذا الموضوع عادةً حسابات الكميات مثل السعة الحرارية، حرارة الاحتراق، حرارة التكوين، المحتوى الحراري، الانتروبيا، الطاقة الحرة، والسعرات الحرارية.
انظر أيضًا: بحث مفصل حول أهمية 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 تغيير مساوٍ ومعاكس في الطاقة يصاحب العملية العكسية.
- قانون هيس (1840 م): التغيير في الطاقة المرتبط بأي تغيير هو نفسه سواء حدثت العملية في خطوة واحدة أو عدة خطوات.
هذه العبارات سبقت القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845 م)، وساعدت في صياغته. قام لافوازييه ولابلاس وهيس أيضًا بفحص الحرارة النوعية والحرارة الكامنة.
على الرغم من أن جوزيف بلاك هو الذي قدم أهم مساهمة في تطوير إمكانات الطاقة المتجددة.
أظهر Kirchhoff في عام 1858 أن الفرق في حرارة التفاعل يتم الحصول عليه من خلال الاختلاف في السعة الحرارية بين المنتجات والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = Cp.
يسمح دمج هذه المعادلة بتقييم حرارة التفاعل عند درجة حرارة واحدة من القياسات، عند درجة حرارة أخرى.
قياس السعرات الحرارية
يتم قياس التغيرات الحرارية باستخدام مقياس المسعر، وعادة ما يكون في غرفة مغلقة حيث يتم إجراء التغيير المطلوب تحليله.
تتم مراقبة درجة حرارة الغرفة بواسطة مقياس حرارة أو مزدوج حراري، ويتم رسم درجة الحرارة مقابل الوقت، لتوفير رسم بياني يمكن من خلاله حساب الكمية الأساسية.
غالبًا ما تكون المسعرات الحديثة مزودة بأجهزة أوتوماتيكية، لتوفير قراءة سريعة للمعلومات، ومثال على ذلك هو مقياس المسح التفاضلي (DSC).
الأنظمة
العديد من التعريفات الديناميكية الحرارية مفيدة جدًا في الكيمياء الحرارية ؛ النظام هو الجزء المحدد من الكون قيد الدراسة. كل شيء خارج النظام يعتبر محيطًا أو بيئة. يمكن للنظام:
- نظام معزول (تمامًا) لا يتبادل الطاقة أو المادة مع البيئة المحيطة، 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 حيويًا، مثل المكبس أو البالون المغلق غير المعزول.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل المادة والطاقة مع محيطه، مثل إناء من الماء المغلي.
نيترة
كانت النترجة ولا تزال هي المعالجة الكيميائية الحرارية الرئيسية، والتي تعتبر مع كربنة النيترو للحديد الحجم المهيمن لتقنيات تعديل السطح الصناعي.
ينتج عن المعالجة أيضًا إضافة النيتروجين إلى سطح الحديد، وهو في حالة الحديد.
في التطبيقات التجارية، المساحة النموذجية المعدلة هي 200-300 ميكرومتر، ونادراً ما تتجاوز 600 ميكرومتر.
يظهر تأثيره في توزيع صلابة السطح، من حيث القيمة القصوى وعمق الاختراق.
بالمقارنة مع المعالجات الحرارية الكيميائية والحرارية الأخرى، لا يلزم إجراء معالجة حرارية إضافية بعد النيترة.
سيواجه سطح المكون أيضًا صلابة متزايدة ومقاومة للتآكل.
تابع أيضا: موضوع عن العنصر الأول من الجدول الدوري في الكيمياء
تتوفر تقنيات النيترة الحالية
لتطبيق النيتروجين، تم تسويق العديد من التقنيات، وتم التحقق من مصادر مختلفة للنيتروجين.
نيترة الغاز
تم تنفيذ نيترة الغاز في عامي 1913 و 1921، وعادة ما يتم ذلك في درجات حرارة تتراوح بين 550-580 درجة مئوية في صندوق فرن أو طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا المنفصلة جزئيًا.
تتمثل مزايا الطبقة المميعة في توحيد درجة الحرارة المثالي تقريبًا، من خلال العدد الكامل لجزيئات الغاز.
معدل تسخين سريع بالنسبة لنترة الغاز، يكون التفاعل الرئيسي هو التحلل التحفيزي للأمونيا، لتكوين نيتروجين (أولي):
NH3 = [N] + 3/2 H2
تتضمن معلمات التحكم الوقت ودرجة الحرارة ومعدل انحلال الغاز، وفي بيئة الإنتاج يتم قياس هذه الأخيرة وتعديلها من وقت لآخر.
السمية الكامنة في نيترة الغاز التقليدية هي أن التركيز السطحي للنيتروجين لا يتم رصده بدقة.
نتيجة لذلك، غالبًا ما تفتقر بنية طبقة النيترة والعملية بأكملها إلى القدرة على التنبؤ والتكرار.
نيترة الملح السائل
يتم إجراء النيترة السائلة، التي تم تطويرها في الأربعينيات، في حمام ملح مصهور يحتوي على السيانيد أو السيانات.
يحتوي الحمام التجاري النموذجي على 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}.
المعدات التجارية لنترة الملح، جنبًا إلى جنب مع تقنيات الغاز والبلازما، فإن الميزة الرئيسية هي وقت الدورة القصيرة بسبب التسخين المكثف ووسط التفاعل العالي.
هناك عدة طرق لتسريع معدل النيترة، مثل إضافات حمام الكبريت أو ضغط الذوبان.
بشكل عام، بالنسبة للفولاذ منخفض السبائك، ينتج عن وقت الدورة الذي يبلغ 1.5 ساعة عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 565 درجة مئوية صندوق بسمك 0.3 مم.
تتميز تقنية حمام الملح أيضًا بالعديد من الخصائص السلبية، مثل سمية الحمام وضعف جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
يتم استخدام ظاهرة التفريغ المتوهج لإدخال النيتروجين الناتج إلى سطح السبيكة، وانتشاره لاحقًا في الطبقات تحت الأرض.
تتشكل البلازما في فراغ باستخدام طاقة كهربائية عالية الجهد لتسريع أيونات النيتروجين التي تقصف سطح السبيكة.
نيترة الليزر
في العقدين الماضيين، تم فحص نيترة الليزر كطريقة بديلة للنترة، أثناء التخليق المباشر بالليزر، يتم وضع المادة في بيئة غازية تفاعلية وتشعيعها بضوء الليزر.
يتم تغذية النيتروجين أيضًا من خلال فوهة إلى حوض الذوبان، على مقياس زمني لمئات النانو ثانية.
إشعاع الليزر النبضي عالي الكثافة عند I ≈ 108 واط / سم 2 في جو من النيتروجين المحيط قادر على تكوين طبقة نيتريد بسمك 1 إلى 1.5 ميكرومتر.
الطبقة الآزوتية وتأثيرها على خواص الركيزة
يغير النيتريد بشكل أساسي الخصائص المتعلقة بالسطح، ومع ذلك، فإن وجود حالة النيتريد يؤثر أيضًا على خصائص حجم المادة الموجودة في حالة النيتريد والمكون بأكمله.
اخترنا لك: بحث مكتشف قانون ضغط السوائل في الكيمياء
في نهاية الكيمياء الحرارية لمعالجة المواد، تعد هندسة الأسطح طريقة جذابة من الناحية الفنية واقتصادية تهدف إلى تحسين الطبقة السطحية للمواد، لأن سطح المادة يتحكم في عمر الخدمة للعديد من التطبيقات.