Biểu đồ pha của một hệ thống đa thành phần. Chuyển pha. Biểu đồ trạng thái. Biểu đồ pha ba điểm
Hệ dị thể một thành phần là một chất ở các trạng thái tập hợp hoặc biến đổi đa hình khác nhau. Theo quy tắc pha Gibbs, tại K = 1, C = 3 F. Xét rằng, theo ý nghĩa vật lý, C 0, rõ ràng là F 3, tức là. số lượng pha tồn tại đồng thời trong hệ thống không đồng nhất một thành phần có thể không quá ba. Trong trường hợp không có tính đa hình, đây là các pha lỏng, rắn và hơi. Các cân bằng hai pha có thể có trong một hệ thống như vậy là "lỏng - hơi", "rắn - hơi" và "rắn - lỏng". Mỗi cân bằng này được đặc trưng bởi một mối quan hệ nhất định giữa các thông số P và T, được thiết lập bởi các phương trình Clapeyron-Clausius cho các quá trình tương ứng: bay hơi, thăng hoa và nóng chảy.
Các mối quan hệ này cũng có thể được thiết lập theo kinh nghiệm, bằng các phương pháp phân tích hóa lý. Chúng được mô tả bằng đồ thị trong các trục tọa độ áp suất-nhiệt độ, dưới dạng đường cong P = f (T).
Một biểu diễn đồ họa của các trạng thái cân bằng pha ở P và T khác nhau được gọi là biểu đồ trạng thái hoặc biểu đồ pha... Chúng ta hãy coi như một ví dụ về biểu đồ pha của nước và lưu huỳnh.
4.5.1. Biểu đồ pha của nước
Trạng thái của nước đã được nghiên cứu trong một loạt các nhiệt độ và áp suất. Người ta biết rằng ở áp suất cao, nước đá có thể ở nhiều dạng tinh thể khác nhau, tùy thuộc vào các điều kiện vật lý (P và T). Hiện tượng này, được gọi là hiện tượng đa hình, vốn có ở nhiều chất khác. Chúng ta sẽ xem xét biểu đồ trạng thái của nước ở áp suất thấp (lên đến 2000 atm).
Sơ đồ có ba trường pha ( lúa gạo. 4.1):
Trường AOB của chất lỏng,
VOS (dưới đường cong) trường hơi không bão hòa,
AOC là trường của pha rắn.
Lúa gạo. 4.1. Biểu đồ pha của nước
Tại bất kỳ điểm nào trong trường, hệ thống là một pha và lưỡng biến (K = 1; Ф = 1; С = 2), tức là trong giới hạn nhất định, bạn có thể thay đổi nhiệt độ và áp suất mà không làm thay đổi số pha và bản chất của chúng. Ví dụ, điểm 1 tương ứng với nước lỏng, có các tham số t 1 và Р 1.
Nếu trong hệ có hai pha ở trạng thái cân bằng thì K = 1; Ф = 2; C = 1, tức là hệ thống là đơn biến. Điều này có nghĩa là một tham số có thể được thay đổi tùy ý trong các giới hạn nhất định, trong khi tham số kia phải thay đổi tùy thuộc vào tham số đầu tiên. Sự phụ thuộc này được biểu thị bằng đường cong Р = f (Т): ОВ đường cong hóa hơi (hoặc ngưng tụ); OScurve of thăng hoa (hoặc thăng hoa); Đường cong nóng chảy (hoặc đông đặc) AO. Ví dụ, điểm 2 mô tả một hệ thống cân bằng trong đó nước và hơi nước bão hòa ở trạng thái cân bằng ở nhiệt độ t 2 và áp suất Р 2. Nếu Р 2 = 1 atm thì t 2 được gọi là nhiệt độ sôi bình thường.
Đường cong bay hơi của nước OM kết thúc tại điểm tới hạn (B) ở t = 374C và P = 218 atm. Trên điểm này, chất lỏng và nước hơi không thể phân biệt được về đặc tính. Điều này được thành lập bởi D.I. Mendeleev năm 1860.
Đường cong nóng chảy của băng AR ở áp suất lên đến 2047 atm có độ dốc bên trái, tương ứng với điều kiện V f.p.< 0 (мольный объем льда >khối lượng mol của nước). Loại băng này nhẹ hơn nước, nó nổi trên mặt nước, do đó, các sinh vật sống được bảo tồn trong các hồ chứa tự nhiên mà không bị đóng băng ở đáy. Ở áp suất cao hơn, nước đá biến đổi thành những biến đổi đặc hơn, khi đó đường cong nóng chảy AO nghiêng về bên phải. Có bảy biến đổi tinh thể đã biết của nước đá, trong đó sáu biến thể có tỷ trọng cao hơn tỷ trọng của nước lỏng. Cuối cùng trong số chúng xuất hiện ở áp suất 21680 atm. Sự biến đổi của một dạng băng này thành dạng băng khác là một quá trình chuyển đổi dị hướng (xem bên dưới về tính đa hình).
Đường cong có chấm ОD (tiếp theo của ОВ) đặc trưng cho trạng thái cân bằng siêu vi: nước siêu lạnh ↔ hơi bão hòa.
Có thể di chuyển được được gọi là cân bằng, tại đó có tất cả các dấu hiệu bên ngoài của trạng thái cân bằng pha, nhưng thế đẳng áp của hệ chưa đạt đến giá trị tuyệt đối nhỏ nhất và có thể giảm thêm. Nước, kết tinh trên các tạp chất, sẽ biến thành nước đá. Điểm Ba điểm. Tọa độ của nó đối với nước trong điều kiện không có không khí: P = 4,579 mm Hg. Nghệ thuật., T = 0,01C. Trong điều kiện có không khí ở 1 atm, ba pha ở trạng thái cân bằng ở 0oC. Trong trường hợp này, áp suất tổng là 1 atm, nhưng áp suất riêng phần của hơi nước là 4,579 mm Hg. Nghệ thuật. Sự giảm điểm đóng băng 0,01º là do hai nguyên nhân: sự hòa tan của không khí trong nước (xem phần "Làm giảm điểm đóng băng của dung dịch") và ảnh hưởng của tổng áp suất lên điểm đóng băng của chất lỏng (sự gia tăng tổng áp suất trong hệ thống làm giảm nó). Đây là điểm duy nhất mà cả ba pha ở trạng thái cân bằng: nước, nước đá và hơi nước. Tại thời điểm này, hệ là bất biến: C = 0.
LỊCH TRÌNH CHUYỂN ĐỔI GIAI ĐOẠN
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ NƯỚC GIAI ĐOẠN
Trong quá trình phát triển mỏ, áp suất và tỷ lệ định lượng của khí và dầu liên tục thay đổi trong các thành tạo. Điều này đi kèm với sự thay đổi liên tục trong thành phần của pha khí và pha lỏng với sự chuyển tiếp lẫn nhau của chúng.
Đặc biệt là các quá trình biến đổi chuyên sâu như vậy xảy ra trong quá trình chuyển động của dầu dọc theo lòng giếng. Do áp suất giảm nhanh chóng, một lượng khí đáng kể được giải phóng khỏi dầu, và ở gần đầu giếng đôi khi dòng chảy chuyển thành huyền phù phân tán mịn của các giọt dầu trong môi trường khí.
Sự di chuyển tiếp tục của dầu đến người tiêu dùng cũng đi kèm với sự biến đổi pha liên tục, ví dụ, từ dầu không còn chứa khí, các nỗ lực được thực hiện để chiết xuất và thu giữ các phần lỏng dễ bay hơi nhất để giảm sự mất mát của các sản phẩm dầu do bay hơi trong quá trình bảo quản trong bể chứa.
Hệ thống hydrocacbon tự nhiên bao gồm một số lượng lớn các thành phần, và chúng không chỉ là hydrocacbon parafinic, mà còn là các hydrocacbon thuộc các nhóm khác. Trạng thái pha của hỗn hợp hydrocacbon phụ thuộc vào thành phần của nó, cũng như vào tính chất của các thành phần riêng lẻ.
Biểu đồ pha điển hình của hỗn hợp đa thành phần (Hình 21) trong tọa độ áp suất - nhiệt độ có dạng giống như vòng lặp, tức là khác với giản đồ pha tương ứng của một chất tinh khiết, được mô tả như một đường cong đơn điệu tăng dần lõm xuống trục nhiệt độ với một điểm cuối (tới hạn). Trước khi tiến hành thảo luận về các tính năng của sơ đồ này, chúng ta hãy đưa ra định nghĩa về một số khái niệm vật lý quan trọng liên quan đến sơ đồ này.
"Điểm tới hạn" (điểm ĐẾN trong bộ lễ phục. 21) tương ứng với các giá trị của áp suất và nhiệt độ mà tại đó các đặc tính của mỗi pha trở nên giống hệt nhau.
"Nhiệt độ nguy hiểm" - nhiệt độ tương ứng với điểm tới hạn.
"Áp lực tới hạn" - áp suất tương ứng với điểm tới hạn.
"Đặc tính mạnh" là những tính chất không phụ thuộc vào lượng của chất được đề cập.
"Tính chất kéo dài" là tính chất tỷ lệ thuận với lượng chất được đề cập.
"Đường cong MỘTđiểm sôi ”- một đường cong đi qua các điểm tương ứng với áp suất và nhiệt độ tại đó bọt khí đầu tiên được hình thành trong quá trình chuyển của chất từ trạng thái lỏng sang vùng có trạng thái hai pha.
"Đường cong điểm sương NS»- một đường cong đi qua các điểm tương ứng với áp suất và nhiệt độ, tại đó giọt chất lỏng đầu tiên được hình thành trong quá trình chuyển đổi của một chất từ trạng thái hơi sang một vùng có trạng thái hai pha.
"Vùng hai pha" - vùng được giới hạn bởi các đường cong của điểm sôi và điểm sương, trong đó khí và chất lỏng ở trạng thái cân bằng.
"Kricondenterm" ( NS) - nhiệt độ cao nhất mà chất lỏng và hơi có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
"Kricondenbar" (N) - áp suất cao nhất mà chất lỏng và hơi có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
"Khu vực ngược dòng" (khu vực được lấp đầy trong Hình 21) - bất kỳ khu vực nào trong đó sự ngưng tụ hoặc hóa hơi xảy ra theo hướng ngược lại với sự thay đổi pha thông thường.
"Ngưng tụ ngược dòng" (giới hạn bởi đường cong KDM) có nghĩa là chất lỏng ngưng tụ hoặc khi áp suất giảm ở nhiệt độ không đổi (đường ABD), hoặc với nhiệt độ tăng ở áp suất không đổi (đường F GA
"Bốc hơi ngược dòng" (giới hạn bởi đường cong NHK) có nghĩa là hơi nước được tạo ra khi nhiệt độ giảm ở áp suất không đổi (đường AGF) hoặc với áp suất tăng dần ở nhiệt độ không đổi (đường DBA).
"Đường thể tích không đổi" (đường chất lượng) - đường đi qua các điểm có cùng thể tích chất lỏng bên trong vùng hai pha.
Từ một cuộc kiểm tra của Hình. 21 một số quan sát quan trọng có thể được thực hiện. Đường cong điểm sôi và đường cong điểm sương hội tụ tại điểm tới hạn. Đường cong điểm sôi tương ứng với 100% hàm lượng chất lỏng trong hệ thống và đường cong điểm sương tương ứng với 100% hàm lượng khí. Các vùng bóng mờ tương ứng với vùng xảy ra hiện tượng ngược dòng. Diện tích giới hạn bởi các đường cong đi qua các điểm K BMD, tương ứng với vùng ngưng tụ ngược dòng đẳng nhiệt.
Biểu đồ pha (Hình 21.) với tất cả các đặc điểm của nó vốn có trong bất kỳ hỗn hợp đa thành phần nào, nhưng độ rộng của vòng lặp của nó và vị trí của điểm tới hạn, và do đó các vùng ngược dòng, phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp.
Theo quan điểm của mỏ dầu, các hệ thống đa thành phần được chia thành dầu và khí. Ngoài ra, các hệ thống đa thành phần được chia nhỏ tùy theo trạng thái mà hỗn hợp hydrocacbon đang trong quá trình hình thành và sau khi nó đã được chiết xuất lên bề mặt.
Trạng thái pha của hỗn hợp hydrocacbon trong vỉa và các đặc điểm của trạng thái pha của chúng trong quá trình phát triển tại hiện trường được xác định bởi áp suất và nhiệt độ của vỉa, cũng như thành phần của hỗn hợp.
Nếu nhiệt độ bình chứa của hỗn hợp T pl lớn hơn nhiệt độ trung tâm NS(chỉ trỏ NS) và trong quá trình khai triển hiện trường, áp suất giảm (đường FT 4), khi đó hỗn hợp này sẽ luôn ở trạng thái khí một pha. Những hỗn hợp như vậy tạo thành các mỏ khí.
Nếu nhiệt độ bình chứa nằm giữa nhiệt độ tới hạn và nhiệt độ trung tâm, thì các hỗn hợp này được gọi là khí ngưng tụ. Trong trường hợp này, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa bình chứa ban đầu và áp suất khi bắt đầu ngưng tụ (điểm V) Sự tồn tại của ba loại cặn ngưng tụ khí là có thể xảy ra: áp suất bình chứa có thể cao hơn (chưa bão hòa một pha), bằng (bão hòa một pha) hoặc thấp hơn (hai pha) áp suất khi bắt đầu ngưng tụ.
Nếu nhiệt độ bình chứa thấp hơn nhiệt độ hỗn hợp tới hạn, tức là nằm ở bên trái của điểm tới hạn, khi đó những hỗn hợp như vậy là đặc trưng cho các mỏ dầu. Tùy thuộc vào các giá trị ban đầu của nhiệt độ và áp suất vỉa (vị trí của điểm tương ứng với các giá trị này so với đường cong điểm sôi), các mỏ dầu có dầu bão hòa, không bão hòa và mỏ có nắp khí được phân biệt.
Khi nhiệt độ bình chứa cao hơn nhiệt độ trung tâm, dầu chứa một lượng lớn hydrocacbon ở dạng khí và có độ sôi thấp và thể hiện sự co ngót lớn hơn. Những loại dầu như vậy được gọi là dầu nhẹ. Chúng được phân biệt bởi tỷ lệ khí-dầu cao và mật độ gần bằng mật độ khí ngưng tụ.
Dầu. Hỗn hợp các hydrocacbon ở thể lỏng trong điều kiện bình chứa được gọi là dầu. Theo lượng co ngót trên bề mặt. Dầu có thể có độ co ngót thấp và cao.
Biểu đồ pha của dầu có độ co ngót thấp được thể hiện trong Hình. 22. Hai đặc điểm nổi bật xuất hiện từ sơ đồ này. Điểm tới hạn nằm ở bên phải của cricondenbara, và các đường của hàm lượng chất lỏng có thể tích bằng nhau trong hỗn hợp nằm gần đường cong điểm sương. Ngoài ra, ở áp suất khí quyển và nhiệt độ bình chứa, hỗn hợp ở trạng thái hai pha. Trong điều kiện thu hồi, một lượng chất lỏng đáng kể thu được từ hỗn hợp, ngay cả khi thể tích của nó trong hỗn hợp là rất thấp. Hiện tượng này là do sự giãn nở đáng kể của pha khí ở áp suất thấp. Một tính năng đặc trưng của giản đồ pha này là sự hiện diện của một lượng tương đối lớn các thành phần nặng trong hỗn hợp.
"Tùy thuộc vào điều kiện vỉa ban đầu, dầu được chia nhỏ thành bão hòa và chưa bão hòa. Nếu điều kiện vỉa ban đầu tương ứng với điểm MỘT do đó, trên đường cong của các điểm sôi (Hình 22), do đó, dầu hoàn toàn bão hòa với khí.
Như có thể thấy từ sơ đồ, khi áp suất giảm một giá trị nhỏ, khí được thoát ra từ dầu bão hòa. Nếu các điều kiện ban đầu tương ứng với điểm A /, nằm trên đường cong của các điểm sôi, thì dầu không bão hòa bằng khí. Để khí bắt đầu phát triển từ dầu chưa bão hòa này, áp suất phải giảm một lượng đáng kể (đến điểm A).
Dầu có độ co ngót cao chứa nhiều hydrocacbon nhẹ hơn dầu có độ co ngót thấp. Nhiệt độ tới hạn của các loại dầu như vậy gần với nhiệt độ bình chứa hơn, và các đường của cùng một hàm lượng chất lỏng thể tích trong hỗn hợp ít được nhóm lại gần đường cong điểm sương hơn.
Biểu đồ pha điển hình cho dầu có độ co ngót cao được thể hiện trong Hình. 23. Trong trường hợp này, cả trong quá trình hình thành và trên bề mặt, lượng chất lỏng nhỏ hơn đáng kể thu được do giảm áp suất. Dầu này có thể bão hòa (điểm A) hoặc chưa bão hòa (điểm MỘT") khí ga.
“Các lớp khác nhau của hydrocacbon, ngoài giản đồ pha, có thể được đặc trưng bởi thành phần, khối lượng riêng của yếu tố chất lỏng và khí được tạo ra.
Dầu có độ co ngót nhỏ có hệ số khí ~ 180 m 3 / m 3, trọng lượng riêng 0,80 g / cm 3 và hơn thế nữa. Dầu co ngót cao có tỷ lệ khí từ 180 đến 1400 m 3 / m 3, trọng lượng riêng 0,74-0,80 g / cm 3.... Việc phân loại hầu hết các hệ thống hồ chứa chỉ có thể được thực hiện sau khi nghiên cứu chi tiết các mẫu hỗn hợp hồ chứa.
Xem xét P− NS− NS sơ đồ cho hệ thống nhị phân. Công việc học tập chuyên sâu P− NS− NS biểu đồ pha cho thấy rằng việc sử dụng áp suất cao (hàng chục và hàng trăm nghìn khí quyển) trong một số trường hợp dẫn đến sự thay đổi loại biểu đồ pha, đến sự thay đổi mạnh về nhiệt độ của các pha và sự biến đổi đa hình, dẫn đến sự xuất hiện của các pha không có trong một hệ thống nhất định ở áp suất khí quyển. Vì vậy, ví dụ, một biểu đồ có độ hòa tan không giới hạn ở trạng thái rắn ở nhiệt độ cao và sự phân hủy của dung dịch rắn α thành hai dung dịch rắn α1 + α2 ở nhiệt độ thấp có thể dần dần chuyển thành biểu đồ có êlectron với áp suất tăng dần (xem Hình 4,18, Một). Trong bộ lễ phục. 4,18, NS cho thấy giản đồ pha của hệ thống Ga - P trong đó hợp chất bán dẫn GaP được tạo thành. Tùy thuộc vào áp suất, hợp chất này có thể tan chảy đồng thời hoặc không thường xuyên. Sự xuất hiện của sơ đồ đôi thay đổi tương ứng. NS− NSở các phần đẳng cấp khác nhau, gấp ba lần P− NS− NS các biểu đồ.
Trong thực tế, đồ sộ P− NS− NS biểu đồ được vẽ rất hiếm khi. Thông thường các phép biến đổi pha trong không gian ba chiều P− NS− NS sơ đồ ana
Lúa gạo. 4.18. Một- P− NS− NS biểu đồ; NS- P− NS− NS sơ đồ trạng thái
Hệ thống Ga - P với hợp chất GaP nóng chảy đồng thời và không đồng đều trong
tùy thuộc vào áp suất.
lysed bằng cách sử dụng các phép chiếu của họ trên máy bay P− NS, NS− NS và P− NS, cũng như các phần khác nhau ở các giá trị nhiệt độ hoặc áp suất không đổi (xem hình 4.18, Một).
Chú ý khi phân tích các phép biến đổi pha trong hệ thống cần phân biệt P− NS− NS biểu đồ pha trong đó áp suất phân ly P dis9 nhỏ và P trên giản đồ pha là áp suất bên ngoài và trong đó áp suất phân ly cao và P- đây là P dis. Trong các hệ thống mà các thành phần của nó có áp suất phân ly thấp và trong đó nhiệt độ nóng chảy cực đại của hỗn hợp nằm dưới nhiệt độ sôi thấp nhất (không có các thành phần dễ bay hơi trong hệ thống), vai trò của pha khí trong quá trình biến đổi pha có thể bị bỏ qua. Nếu áp suất phân ly của bất kỳ thành phần nào cao (hệ có chứa các thành phần dễ bay hơi), thì thành phần của pha khí phải được tính đến ở nhiệt độ cả trên và dưới chất lỏng.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các sơ đồ pha. P dis - NS− NS với cao
áp suất phân ly (giản đồ pha với các thành phần dễ bay hơi). Cần lưu ý rằng sự chú ý đến chúng đã tăng lên liên quan đến vai trò gia tăng của các hợp chất chứa các thành phần dễ bay hơi trong điện tử bán dẫn. Ví dụ, chúng bao gồm các hợp chất IIIIBV chứa các thành phần dễ bay hơi phốt pho và asen, các hợp chất IIIBVI chứa thủy ngân, AIVBVI chứa lưu huỳnh, v.v.
Tất cả các hợp chất bán dẫn đều có một vùng đồng nhất mở rộng ít nhiều, nghĩa là chúng có thể tự hòa tan
9 P dis là áp suất phân ly cân bằng đối với các điều kiện đã cho của tất cả các pha ở trạng thái cân bằng. Nếu có một thành phần dễ bay hơi trong hệ thống P dis là áp suất phân ly cân bằng của thành phần dễ bay hơi của hệ.
bất kỳ thành phần nào vượt quá thành phần đo phân vị; hoặc thành phần thứ ba.
Bất kỳ sự sai lệch nào so với thành phần đo góc đều ảnh hưởng đến các đặc tính điện (xem Chương 3). Do đó, để tạo ra các tinh thể có thể tái lập có chứa một thành phần dễ bay hơi với các đặc tính mong muốn, cũng cần phải thu được các hợp chất có thể tái lập của một chế phẩm nhất định.
Tuy nhiên, sự dễ bay hơi của một trong các thành phần của hợp chất dẫn đến sự sai lệch so với thành phần phân vị do hình thành các khoảng trống - anion hoặc cation - tùy thuộc vào áp suất phân ly cao hơn của thành phần nào và theo đó, sự dư thừa của thành phần kia. . Như đã thảo luận trong Ch. 3, chỗ trống trong một số hợp chất có thể tạo ra mức chấp nhận hoặc cho, do đó ảnh hưởng đến các tính chất vật lý.
Năng lượng hình thành các chỗ trống ở vị trí A và B hầu như không bao giờ giống nhau; do đó, nồng độ của các chỗ trống anion và cation cũng khác nhau, và vùng đồng nhất của hợp chất hóa ra không đối xứng đối với thành phần cân bằng. Theo đó, đối với hầu hết tất cả các hợp chất, điểm nóng chảy tối đa không tương ứng với hợp kim có thành phần phân vị.10
Sự thay đổi thành phần của hợp chất do tính dễ bay hơi có thể được ngăn chặn nếu nó được nuôi cấy từ chất nóng chảy hoặc dung dịch dưới áp suất bên ngoài của thành phần dễ bay hơi bằng với áp suất phân ly ở nhiệt độ phát triển. Điều kiện này được chọn bằng cách sử dụng P dis - NS– NS các sơ đồ.
Áp suất phân ly của một thành phần dễ bay hơi trong hợp kim phụ thuộc mạnh mẽ vào thành phần của nó, theo quy luật, nó giảm khi giảm nồng độ của thành phần này, ví dụ, đối với hệ In - As (áp suất phân ly của asen giảm bằng gần bốn bậc của cường độ với sự giảm nồng độ asen trong khoảng từ 100 đến 20%). Kết quả là áp suất phân ly của thành phần dễ bay hơi trong hợp chất thấp hơn nhiều so với áp suất phân ly của thành phần tinh khiết ở cùng nhiệt độ.
Trường hợp này được sử dụng trong sơ đồ hai nhiệt độ để thu được hợp chất này. Hai vùng nhiệt độ được tạo ra trong một lò.
10Tuy nhiên, đối với các hợp chất, đặc biệt là AIII BV, với vùng đồng nhất hẹp và hầu hết các hợp chất, đặc biệt là AIV BVI, với độ rộng trung bình của vùng đồng nhất, khái niệm hợp chất nóng chảy đồng dạng được sử dụng, vì độ lệch của độ nóng chảy thực điểm của hợp chất từ điểm nóng chảy của hợp chất có thành phần phân vị là không đáng kể. ...
Lúa gạo. 4.19. P dis - NS phần P dis - NS− NS biểu đồ trạng thái của hệ Pb - S. 1 -
đường dây ba pha; 2 - PS 2 lưu huỳnh nguyên chất hơn PbS + S2; 3 - PS 2 trên PbS + Pb.
Một người có nhiệt độ NS 1, bằng nhiệt độ kết tinh của hợp chất. Thùng chứa chất tan chảy được đặt ở đây. Trong vùng thứ hai, thành phần dễ bay hơi tinh khiết của hợp chất, As, được đặt. Nhiệt độ NS 2 trong vùng thứ hai được duy trì bằng nhiệt độ tại đó áp suất phân ly của thành phần dễ bay hơi ở dạng tinh khiết của nó bằng áp suất phân ly của thành phần này trong hợp chất ở nhiệt độ NS 1. Kết quả là ở vùng đầu tiên, áp suất hơi của thành phần dễ bay hơi phía trên hợp chất bằng với áp suất phân ly riêng phần của nó trong hợp chất, điều này ngăn cản sự bay hơi của thành phần này khỏi sự nóng chảy và đảm bảo sự kết tinh của hợp chất thành phần nhất định.
Trong bộ lễ phục. 4.19 được đưa ra P− NS hình chiếu của giản đồ pha Pb - S.
Đường đặc thể hiện đường cân bằng ba pha của các pha rắn, lỏng và khí, giới hạn vùng ổn định của hợp chất rắn; đường chấm - đường đẳng trung tâm trong vùng đồng nhất. Các đường đẳng nồng thể hiện các chế phẩm có độ lệch bằng nhau từ phép đo phân vị (các chế phẩm giống hệt nhau) đối với chì dư (độ dẫn n-type) hoặc đối với lưu huỳnh dư thừa (độ dẫn P-loại), cân bằng ở các giá trị nhiệt độ và áp suất đã cho của hơi lưu huỳnh. Hàng n= P tương ứng với các giá trị nhiệt độ và áp suất PS 2, trong đó pha rắn có thành phần phân cực nghiêm ngặt. Nó vượt qua đường ba pha ở nhiệt độ là điểm nóng chảy của hợp chất đo góc. hoặc đối với lưu huỳnh dư thừa (độ dẫn P-kiểu).
Như có thể thấy từ Hình. 4.19, nhiệt độ nóng chảy của một hợp chất có thành phần phân vị thấp hơn nhiệt độ nóng chảy tối đa của hợp kim có dư chì so với thành phần công thức. Người ta thấy sự phụ thuộc rõ rệt của thành phần tinh thể vào áp suất hơi riêng phần của thành phần dễ bay hơi. Ở nhiệt độ cao, tất cả các đường cong tương ứng với các thành phần khác nhau tiếp cận đường n= P... Khi nhiệt độ giảm, sự chênh lệch giữa các áp suất cân bằng tương ứng với các thành phần khác nhau tăng lên. Điều này giải thích sự khó khăn của việc thu được một hợp kim của một chế phẩm nhất định trực tiếp trong quá trình kết tinh ở nhiệt độ cao. Vì các đường cong áp suất riêng phần của các thành phần khác nhau là gần nhau, các sai lệch ngẫu nhiên nhỏ về áp suất hơi của thành phần dễ bay hơi có thể dẫn đến sự thay đổi đáng chú ý trong thành phần của pha rắn.
Nếu sau khi lớn lên, tinh thể được ủ trong thời gian dài ở nhiệt độ thấp hơn và áp suất đến mức các đường đẳng tích đối với các chế phẩm khác nhau phân kỳ mạnh, thì thành phần của tinh thể có thể được đưa đến giá trị xác định. Điều này thường được sử dụng trong thực tế.
Giới thiệu
1. Các dạng giản đồ pha
2. Các hệ thống có tầm quan trọng trong vi điện tử
3. Tính tan rắn
4. Chuyển pha
Văn học
Giới thiệu
Biểu đồ pha của các trạng thái là một phần thiết yếu của bất kỳ cuộc thảo luận nào về tính chất vật liệu khi nói đến sự tương tác của các vật liệu khác nhau. Biểu đồ pha của trạng thái đặc biệt quan trọng trong vi điện tử, bởi vì Để sản xuất dây dẫn và lớp thụ động, cần sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau. Trong quá trình sản xuất vi mạch tích hợp, silicon tiếp xúc chặt chẽ với các kim loại khác nhau; chúng tôi sẽ đặc biệt chú ý đến các giản đồ pha trong đó silicon xuất hiện như một trong những thành phần.
Trong bài tiểu luận này trình bày các dạng giản đồ pha, khái niệm về sự chuyển pha, tính tan của chất rắn, hệ thức quan trọng nhất của các chất đối với vi điện tử.
1. Các dạng giản đồ pha
Biểu đồ trạng thái một pha là biểu đồ trong đó, phụ thuộc vào áp suất, thể tích và nhiệt độ, mô tả trạng thái pha của chỉ một vật liệu. Thông thường, người ta thường không vẽ biểu đồ ba chiều trên mặt phẳng hai chiều - chúng biểu diễn hình chiếu của nó lên mặt phẳng nhiệt độ-áp suất. Một ví dụ về biểu đồ trạng thái một pha được đưa ra trong Hình. 1.
Lúa gạo. 1. Biểu đồ trạng thái một pha
Biểu đồ mô tả rõ ràng các khu vực trong đó vật liệu chỉ có thể tồn tại ở một trạng thái pha - ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Dọc theo các đường phân định, một chất có thể có hai trạng thái pha (hai pha) trong ngữ cảnh với nhau. Bất kỳ sự kết hợp nào diễn ra: rắn - lỏng, rắn - hơi, lỏng - hơi. Tại điểm giao nhau của các đường biểu đồ, cái gọi là điểm ba, cả ba pha có thể đồng thời tồn tại. Hơn nữa, điều này có thể xảy ra ở một nhiệt độ duy nhất, vì vậy điểm ba đóng vai trò là điểm tham chiếu tốt cho nhiệt độ. Thông thường, điểm ba của nước hoạt động như một điểm chuẩn (ví dụ, trong các phép đo chính xác sử dụng cặp nhiệt điện, nơi điểm nối chuẩn tiếp xúc với hệ thống nước đá-hơi nước).
Biểu đồ pha kép (biểu đồ trạng thái của hệ thống nhị phân) biểu diễn trạng thái của hệ thống có hai thành phần. Trong các sơ đồ như vậy, thứ tự là nhiệt độ và abscissa là tỷ lệ phần trăm của các thành phần hỗn hợp (thông thường, đây là phần trăm của tổng khối lượng (wt%) hoặc phần trăm của tổng số nguyên tử (tại%) ). Áp suất thường được giả định là 1 atm. Khi xem xét pha lỏng và pha rắn, việc đo thể tích bị bỏ qua. Trong bộ lễ phục. 2. Thể hiện một biểu đồ trạng thái hai pha điển hình cho các thành phần A và B sử dụng phần trăm khối lượng hoặc nguyên tử.
Lúa gạo. 2. Biểu đồ trạng thái hai pha
Chữ biểu thị pha của chất A với chất tan B, biểu thị pha của chất B với chất tan A trong đó, và + biểu thị hỗn hợp của các pha này. Chữ cái (từ liquid - chất lỏng) có nghĩa là pha lỏng, và L + và L + có nghĩa là pha lỏng cộng với pha hoặc tương ứng. Các đường phân chia các pha, tức là các đường mà các pha khác nhau của một chất có thể tồn tại, có tên như sau: solidus - đường mà các pha hoặc tồn tại đồng thời với các pha L + và L + , tương ứng; solvus là đường mà trên đó các pha và + hoặc và + cùng tồn tại đồng thời, còn liquidus là đường mà trên đó pha L đồng thời tồn tại với pha L + hoặc L + .
Giao điểm của hai đường lỏng thường là điểm nóng chảy thấp nhất cho tất cả các kết hợp có thể có của chất A và B và được gọi là điểm eutectic. Một hỗn hợp có tỷ lệ các thành phần tại điểm eutectic được gọi là hỗn hợp eutectic (hay đơn giản là eutectic).
Chúng ta hãy xem xét sự chuyển đổi của một hỗn hợp từ trạng thái lỏng (nóng chảy) sang thể rắn xảy ra như thế nào và giản đồ pha giúp dự đoán thành phần cân bằng của tất cả các pha tồn tại ở một nhiệt độ nhất định như thế nào. Hãy chuyển sang hình. 3.
Lúa gạo. 3. Biểu đồ trạng thái hai pha thể hiện các quá trình đông đặc
Giả sử ban đầu hỗn hợp có thành phần C M ở nhiệt độ T 1, ở nhiệt độ từ T 1 đến T 2 có pha lỏng và ở nhiệt độ T có 2 pha L và đồng thời tồn tại. Thành phần của pha L có mặt là C M, thành phần của pha là C 1. Khi nhiệt độ giảm thêm đến T 3, thành phần của chất lỏng thay đổi dọc theo đường cong chất lỏng và thành phần của pha - dọc theo đường cong chất rắn cho đến khi nó giao với đường đẳng nhiệt (đường nằm ngang) T 3. Bây giờ thành phần của pha L là C L và thành phần của pha là C 2. Cần lưu ý rằng thành phần C 2 không chỉ phải có chất đã chuyển sang pha ở nhiệt độ T 3, mà toàn bộ chất đã chuyển sang pha ở nhiệt độ cao hơn phải có thành phần C 2. Sự sắp xếp này của các chế phẩm phải xảy ra bằng sự khuếch tán ở trạng thái rắn của thành phần A vào pha hiện có , do đó tại thời điểm đạt đến nhiệt độ T 3, tất cả các chất trong pha sẽ có thành phần C 2. Nhiệt độ giảm hơn nữa sẽ đưa chúng ta đến điểm eutectic. Trong đó, các pha và tồn tại đồng thời với pha lỏng. Ở nhiệt độ thấp hơn, chỉ tồn tại các pha và phân tử . Một hỗn hợp của các pha và của thành phần C E với các tập hợp có thành phần ban đầu là C 3 được tạo thành. Sau đó, giữ hỗn hợp này trong một thời gian dài ở nhiệt độ dưới eutectic, bạn có thể thu được một chất rắn. Chất rắn thu được sẽ bao gồm hai pha. Thành phần của mỗi pha có thể được xác định tại giao điểm của đường đẳng nhiệt với đường solvus tương ứng.
Chúng tôi vừa trình bày cách xác định thành phần của từng pha có mặt. Bây giờ ta xét bài toán xác định lượng chất trong mỗi pha. Để tránh nhầm lẫn, Hình. 4. Một lần nữa, một sơ đồ hai pha đơn giản được hiển thị. Giả sử rằng ở nhiệt độ T 1, thành phần của chất nóng chảy là C M (nghĩa là thành phần B), thì ở T 2, pha L có thành phần C L, và pha sẽ có thành phần C s. Gọi M L là khối lượng của một chất ở trạng thái rắn, và M S - khối lượng của một chất ở trạng thái rắn. Điều kiện để bảo toàn tổng khối lượng dẫn đến phương trình sau
(M L + M S) C M = M L C L + M S C S.
Lúa gạo. 4. Quy tắc cấp độ
Nó phản ánh thực tế rằng tổng khối lượng của một chất ở nhiệt độ T 1 nhân với phần trăm B là tổng khối lượng của một chất B. Nó bằng tổng khối lượng của một chất B tồn tại ở thể lỏng và rắn. ở nhiệt độ T 2. Giải phương trình này, chúng ta nhận được
. (1)
Biểu thức này được gọi là "quy tắc mức". Sử dụng quy tắc này, biết thành phần ban đầu của chất nóng chảy và tổng khối lượng của nó, có thể xác định khối lượng của cả hai pha và lượng chất B trong bất kỳ pha nào đối với bất kỳ đoạn nào của giản đồ hai pha. Theo cách tương tự, bạn có thể tính toán và
Trong bộ lễ phục. 5. Một ví dụ khác về sự đông đặc nóng chảy được hiển thị. Sự giảm nhiệt độ từ T 1 đến T 2 dẫn đến sự trộn lẫn của các pha L và với thành phần C M và C tương ứng. Khi làm lạnh thêm, thành phần L thay đổi dọc theo chất lỏng, và thành phần thay đổi dọc theo chất rắn, như đã mô tả trước đó. Khi đạt đến nhiệt độ T 3, thành phần trở thành bằng C M, và theo quy tắc mức, ở nhiệt độ thấp hơn T 3, pha lỏng không thể tồn tại. Ở nhiệt độ dưới T 4, các pha và tồn tại dưới dạng tập hợp của các pha và. Ví dụ, ở nhiệt độ T 5, các tập hợp của pha sẽ có thành phần được xác định bởi giao điểm của đường đẳng nhiệt T 5 và độ tan . Thành phần được xác định theo cách tương tự - bằng giao điểm của đường đẳng nhiệt và solvus .
Lúa gạo. 5. Sơ đồ lưỡng pha và quá trình đóng rắn lượng chất A có trong bất kỳ giai đoạn nào
Các phần của giản đồ hai pha, cho đến nay được gọi là và , là các vùng của sự hòa tan của chất rắn: trong vùng của , A và B. Số lượng tối đa của A có thể hòa tan trong B ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc về nhiệt độ. Ở nhiệt độ eutectic hoặc cao hơn, có thể xảy ra phản ứng tổng hợp nhanh chóng giữa A và B. Nếu hợp kim tạo thành bị nguội đột ngột, thì các nguyên tử A có thể bị "mắc kẹt" trong mạng tinh thể B. Nhưng nếu độ tan của chất rắn ở nhiệt độ phòng thấp hơn nhiều ( điều này cho thấy rằng ở nhiệt độ này, cách tiếp cận đang được xem xét là không phù hợp lắm), khi đó ứng suất mạnh nhất có thể phát sinh trong hợp kim, ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của nó (khi có ứng suất lớn, các dung dịch rắn quá bão hòa xuất hiện, và hệ thống thì không ở trạng thái cân bằng và biểu đồ chỉ cung cấp thông tin về các trạng thái cân bằng). Đôi khi, một hiệu ứng như vậy là mong muốn, ví dụ, khi làm cứng thép bằng cách tôi nguội để thu được mactenxit. Nhưng trong vi điện tử, kết quả của nó sẽ rất tàn khốc. Do đó, hợp kim hóa, tức là việc đưa các chất phụ gia vào silicon trước khi khuếch tán, được thực hiện ở nhiệt độ cao để ngăn ngừa sự phá hủy bề mặt do hợp kim hóa quá nhiều. Nếu lượng dopant trong chất nền hóa ra cao hơn giới hạn hòa tan của chất rắn ở bất kỳ nhiệt độ nào, thì giai đoạn thứ hai và biến dạng liên quan sẽ xuất hiện.
2. Hệ thống các chất quan trọng trong vi điện tử
Có một số nguyên liệu có thể hòa tan hoàn toàn vào nhau. Một ví dụ là hệ thống gồm hai chất quan trọng đối với vi điện tử như silicon và germani. Hệ thống silicon - germani được thể hiện trong Hình. 6.
Lúa gạo. 6. Hệ thống silicon - germani
Sơ đồ không có điểm eutectic. Một sơ đồ như vậy được gọi là đẳng cấu. Để hai nguyên tố là đồng phân, chúng phải tuân theo các quy tắc Hume-Rothery, tức là có sự chênh lệch về các giá trị của bán kính nguyên tử không quá 15%, cùng một xác suất, cùng một mạng tinh thể và ngoài ra, độ âm điện xấp xỉ như nhau (độ âm điện của một nguyên tử là họ vốn có của nó là thu hút hoặc bắt giữ dư electron, có liên kết cộng hóa trị). Hệ thống Cu - Ni, Au - Pt và Ag - Pd cũng là đồng phân.
Hệ thống Pb - Sn là một ví dụ điển hình về hệ thống nhị phân đơn giản với khả năng hòa tan rắn đáng kể, mặc dù hạn chế. Biểu đồ pha của các trạng thái của hệ thống này được thể hiện trong Hình. 7. Giao điểm của solidus và solvus được gọi là độ tan biên, giá trị của độ tan biên của cả chì trong thiếc và chì trong thiếc sẽ lớn. Hệ thống này rất quan trọng đối với vi điện tử do việc sử dụng rộng rãi chất hàn chì thiếc. Biểu đồ hai pha của hệ thống này cho thấy sự thay đổi thành phần của hợp kim làm thay đổi điểm nóng chảy của nó như thế nào. Khi sản xuất vi mạch, cần phải thực hiện nhiều lần hàn liên tiếp, sau đó đối với mỗi lần hàn tiếp theo, chất hàn có điểm nóng chảy thấp hơn được sử dụng. Điều này được thực hiện để khẩu phần đã làm trước đó không bị chảy.
Lúa gạo. 7. Biểu đồ pha các trạng thái của hệ thống chì-thiếc
Đối với việc sản xuất vi mạch, các đặc tính của hệ Au - Si cũng rất quan trọng, vì nhiệt độ eutectic của hệ này rất thấp so với nhiệt độ nóng chảy của vàng nguyên chất hoặc silicon nguyên chất (Hình 9). Khả năng hòa tan của vàng trong silic và silic trong vàng quá nhỏ để được phản ánh trong biểu đồ pha thông thường của các trạng thái. Do nhiệt độ eutectic thấp, nên việc gắn các chip vi mạch trên nền vàng, giá đỡ hoặc bảng có miếng đệm tiếp xúc bằng vàng sẽ có lợi khi sử dụng phản ứng eutectic Au - Si làm cơ chế hàn (hoặc hàn chính). Để hàn tinh thể silicon, vàng cũng được sử dụng, chứa một vài phần trăm gecmani.
Sự kết hợp của các nguyên tố tạo thành hợp chất hóa học có giản đồ pha phức tạp hơn. Chúng có thể được chia thành hai (hoặc nhiều) sơ đồ đơn giản hơn, mỗi sơ đồ đề cập đến một cặp kết nối hoặc hợp chất và phần tử cụ thể. Ví dụ, AuAl 2 được hình thành bằng cách kết hợp 33% (phần trăm nguyên tử) vàng với nhôm ở nhiệt độ nhỏ hơn 1060 ° (Hình 2.10). Ở bên trái đường này, AuAl 2 và pha nhôm nguyên chất cùng tồn tại. Các hợp chất như AuAl 2 được gọi là liên kim loại và được tạo thành theo tỷ lệ phân vị thích hợp của hai nguyên tố. Các hợp chất liên kim loại được đặc trưng bởi nhiệt độ nóng chảy cao, cấu trúc tinh thể phức tạp và ngoài ra, còn được đặc trưng bởi độ cứng và độ giòn.
Biểu đồ pha Au - Al của các trạng thái có thể được chia thành hai hoặc nhiều biểu đồ, ví dụ, biểu đồ Al - AuAl 2 và giản đồ AuAl 2 - Au.
Lúa gạo. 8. Hệ nhôm - silicon
Sơ đồ của hệ thống Au - Al được thể hiện trong hình. 2.10 là cực kỳ quan trọng trong vi điện tử, vì thông thường dây vàng được kết nối với một lớp kim loại hóa nhôm nằm trên silicon. Một số hợp chất liên kim loại quan trọng được liệt kê ở đây: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 và Au 4 Al. Tất cả chúng đều có thể có trong vật dẫn của liên kết Au - Al.
Lúa gạo. 9. Hệ thống vàng - silicon
Lúa gạo. 10. Hệ vàng - nhôm
3. Tính tan rắn
Độ hòa tan ranh giới của hầu hết các chất pha tạp trong silicon là cực kỳ thấp và trên thực tế, không phải là độ hòa tan tối đa. Trong bộ lễ phục. 11 cho thấy một đường cong đặc trưng cho tạp chất không có silicon. Lưu ý rằng độ hòa tan tăng theo nhiệt độ đến một giá trị nhất định và sau đó giảm đến không ở điểm nóng chảy của silic. Đường cong như vậy được gọi là đường cong độ tan ngược. Một phiên bản tinh chỉnh của biểu đồ này trong vùng lân cận của điểm nóng chảy silicon được thể hiện trong Hình. 12.
Lúa gạo. 11 Tính hòa tan ngược của silicon
Lúa gạo. 12 Biểu đồ pha điển hình của silic
Nếu thành phần của silic nóng chảy bằng C M tính theo phần trăm khối lượng chất tan, thì silic sẽ đông đặc với hàm lượng chất tan kC M, trong đó k là hệ số phân li (k = C S / C L). Khi nồng độ trong chất rắn đạt đến giá trị C M trong quá trình đông đặc, nồng độ trong dung dịch lỏng sẽ là C M / k, vì tỉ số giữa các nồng độ trong chất lỏng và rắn phải bằng k. Do đó, độ dốc của đường solidus là
,
và độ dốc của chất lỏng là
.
Tỷ số của độ dốc của chất lỏng và chất rắn hóa ra bằng hệ số phân tách
. (2)
4. Chuyển pha
Chuyển từ trạng thái pha này sang trạng thái pha khác khi thay đổi các thông số của hệ thống.
Chuyển pha của bậc đầu tiên (bay hơi, ngưng tụ, nóng chảy, kết tinh, chuyển từ biến đổi tinh thể này sang biến đổi tinh thể khác).
Trạng thái tinh thể của các chất được phân loại theo bảy hệ (tam giác, đơn tà, hình thoi, tứ giác, tam giác hoặc hình thoi ..., lục giác, lập phương), trong khi sự sắp xếp của các nguyên tử trong các hệ này được đặc trưng bởi 14 loại mạng (mạng Bravais ). Mức độ đóng gói của các nguyên tử trong các mạng này là khác nhau:
Khối đơn giản f = 0,52
Lập phương tâm diện cơ thể f = 0,68
Lập phương tâm diện f = 0,74
Đóng gói hình lục giác f = 0,74
Một kết luận rất quan trọng được rút ra từ những dữ liệu này: trong quá trình biến đổi đa hình (thay đổi kiểu mạng tinh thể), có sự thay đổi về thể tích và do đó, các đặc tính hóa lý của vật liệu.
Trong chuyển tiếp bậc nhất, hai pha cùng tồn tại tại điểm chuyển tiếp.
A B
a) quá trình chuyển đổi được thực hiện ở một làn nhiệt độ T nhất định
b) trong quá trình chuyển đổi, các đạo hàm đầu tiên của năng lượng thay đổi đột ngột: entanpi, entropi, thể tích (do đó, mật độ)
Chuyển pha của loại thứ hai
Trong quá trình chuyển đổi loại thứ hai, các dẫn xuất thứ nhất của năng lượng tự do, entanpi, entropi, thể tích, mật độ thay đổi một cách đơn điệu.
Bari titanat - cấu tạo lập phương -> tính áp điện điển hình tứ giác.
MnO, một phản nam châm, ở 117 K chuyển sang pha thuận từ.
1. Theo sự phân loại của các phép biến đổi pha, được đề xuất vào năm 1933 bởi Eripresite, các phép biến đổi được chia thành các phép biến đổi (chuyển tiếp) thuộc loại I và II.
Các chuyển đổi loại thứ nhất được đặc trưng bởi thực tế là các dẫn xuất đầu tiên của thế nhiệt động lực học đối với nhiệt độ và áp suất thay đổi đột ngột
ở đây S - entropy, V - khối lượng
Vì thế nhiệt động trong quá trình chuyển pha thay đổi liên tục được xác định bằng biểu thức
thì năng lượng U cũng phải thay đổi đột ngột. Tại vì
sau đó là nhiệt của quá trình chuyển đổi
bằng tích của nhiệt độ và sự chênh lệch entropi của các pha, tức là sự thay đổi đột ngột hoặc sự hấp thụ nhiệt.
Điều quan trọng là phải liên tục thay đổi thế nhiệt động. Hàm (T) và (T) không thay đổi các đặc trưng gần điểm chuyển pha, trong khi ở cả hai phía của điểm chuyển pha có cực tiểu của thế nhiệt động.
Tính năng này giải thích khả năng quá nhiệt hoặc quá lạnh của các pha trong trường hợp chuyển pha trong hệ thống.
Hãy xác định mối quan hệ giữa bước nhảy của các hàm nhiệt động lực học và. Sau khi phân biệt liên quan đến nhiệt độ, quan hệ Hàm (P, T) = (P, T), có tính đến biểu thức của S, V và q, chúng ta thu được
Đây là công thức Cliperon-Clausis nổi tiếng. Nó cho phép bạn xác định sự thay đổi áp suất ở trạng thái cân bằng giữa các pha khi nhiệt độ thay đổi hoặc nhiệt độ của quá trình chuyển đổi giữa hai pha thay đổi khi áp suất thay đổi. Sự thay đổi đột ngột về khối lượng dẫn đến không có sự kết nối nhất định giữa cấu trúc và hệ thống các pha, chúng được biến đổi trong quá trình chuyển pha bậc một, liên quan đến điều này, thay đổi đột ngột.
Điển hình cho các chuyển pha bậc 1 là các chuyển đổi giữa các trạng thái tập hợp của vật chất, biến đổi dị hướng, nhiều chuyển pha trong vật liệu đa thành phần.
Sự khác biệt cơ bản giữa chuyển pha bậc hai và chuyển pha bậc nhất như sau: chuyển pha bậc hai được đặc trưng bởi cả tính liên tục của sự thay đổi thế nhiệt động và tính liên tục của sự thay đổi các đạo hàm của thế nhiệt động.
Cân bằng hóa học
Hàm nhiệt động là hàm trạng thái xác định sự thay đổi của thế nhiệt động khi số lượng hạt trong hệ thay đổi. Nói cách khác, có một hàm xác định hướng và giới hạn của quá trình chuyển đổi tự phát của một thành phần từ pha này sang pha khác dưới các phép biến đổi và điều kiện thích hợp (T, P, V, S, n i).
Các thế nhiệt động liên hệ với nhau theo các quan hệ sau
Lượng chất tính bằng gam; - lượng chất tính bằng mol;
M là khối lượng phân tử của chất tương ứng.
Đối với lý thuyết về các dung dịch rắn, trong đó tất cả các thiết bị vi điện tử hoạt động, phương pháp điện thế hóa học do Gibbs phát triển có tầm quan trọng lớn. Cân bằng hóa học có thể được xác định bằng cách sử dụng thế hóa học.
Thế năng hóa học được đặc trưng bởi năng lượng trên 1 nguyên tử
Tiềm năng hóa học; G là năng lượng Gibbs;
N o - Số Avogadro, N А - L = mol -1
tức là (P, T) = (P, T)
Cả hai đường cong đặc trưng cho sự giảm đơn điệu theo nhiệt độ, xác định giá trị của entropi của các pha
Biểu đồ pha của các trạng thái là một phần không thể thiếu trong cuộc thảo luận về tính chất vật liệu khi nói đến tương tác của các vật liệu khác nhau.
Biểu đồ trạng thái một pha mô tả trạng thái pha của chỉ một vật liệu.
Biểu đồ pha kép (biểu đồ trạng thái của hệ thống nhị phân) biểu diễn trạng thái của hệ thống có hai thành phần.
Sự kết hợp của các nguyên tố tạo thành hợp chất hóa học có giản đồ pha phức tạp hơn.
Văn học
1. Ormont BF Giới thiệu về hóa lý và hóa tinh thể của chất bán dẫn. - M .: Trung học, 1973.
2. Luyện kim vật lý / Biên tập bởi R. Kahn, vol. 2. Các phép biến đổi pha. Kim loại học. - M .: Mir, 1968.
3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Công nghệ vật liệu bán dẫn và điện môi", - M .: Trường đại học, 1990r.
4. “Hội thảo về chất bán dẫn và thiết bị bán dẫn” / Ed. Shalimova K.V. - M .: Trường đại học, 1968r.
Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích giản đồ cân bằng pha với độ hòa tan giới hạn của các thành phần ở trạng thái rắn và chuyển đổi eutectic... Trong hệ thống eutectic, việc đưa lượng đầu tiên của một trong các thành phần này sang thành phần kia làm giảm nhiệt độ của hợp kim, do đó đường cong lỏng đi qua nhiệt độ tối thiểu được gọi là điểm eutectic. Chất lỏng có độ hòa tan theo tỷ lệ bất kỳ, và độ hòa tan ở trạng thái rắn bị hạn chế.
Kết quả của quá trình biến đổi eutectic, các tinh thể có kích thước rất nhỏ được hình thành, không thể phân biệt được trong kính hiển vi quang học. Vì lý do này, các thành phần pha khác nhau được hình thành do quá trình biến đổi được kết hợp thành một thành phần cấu trúc.
Một ví dụ về giản đồ pha với biến đổi eutectic được thể hiện trong hình. Pha α và β là dung dịch rắn. Cụm từ "các giải pháp rắn có giới hạn" có thể áp dụng cho các giải pháp này, vì vùng ổn định của mỗi giải pháp chỉ mở rộng đến một phần của biểu đồ. Các pha này cũng có thể được gọi là các dung dịch rắn chính, vì các vùng tương ứng với chúng bắt đầu từ các cạnh của sơ đồ (bên trong nó), và không bị giới hạn ở cả hai phía ở đâu đó ở phần giữa của sơ đồ. Các pha có thể có cấu trúc tinh thể giống nhau, nhưng điều này là không cần thiết; mỗi pha có cấu trúc của thành phần mà nó tiếp giáp với nó. Không có hạn chế nào được áp đặt đối với cấu trúc của các dung dịch rắn; chúng có thể là cả dung dịch thay thế và dung dịch xen kẽ.
Hình bên cho thấy ba khu vực hai pha: L + α, L + β và α + β. Rõ ràng, các khu vực L + α và L + β theo mọi nghĩa tương đương với diện tích L + Biểu đồ α với độ hòa tan không giới hạn của các thành phần, mà chúng ta đã thảo luận trong phần đầu của bài viết này. Các khu vực này có thể được coi là bao gồm các conode, kết nối các thành phần của pha lỏng và rắn ở mỗi nhiệt độ nhất định, được biểu thị bằng các đường solidus và liquidus. Tương tự như vậy, vùng α + β được coi là bao gồm các conode nối với nhau, ở mỗi nhiệt độ, thành phần của pha α trên đường cong độ tan α với thành phần tương ứng của pha β trên đường cong độ tan β.
Ba vùng hai pha được kết nối với nhau bằng một konode ( a - e - b ), chung cho tất cả chúng, và kết nối các thành phần của ba pha liên hợp cùng tồn tại ở nhiệt độ eutectic, nghĩa là, α (điểm Một ), chất lỏng (điểm e) và β (điểm b ). Đường này còn được gọi là đường eutectic hoặc phản ứng đẳng nhiệt hoặc phương ngang eutectic. Chỉ trỏ e , đại diện cho chất lỏng duy nhất có thể cùng tồn tại đồng thời với cả hai pha rắn, được gọi là điểm eutectic, tức là thành phần điểm của hợp kim có điểm nóng chảy thấp nhất.
Biến đổi eutectic xảy ra với dung dịch rắn được gọi là biến đổi eutectoid.
Trong phần thứ ba của bài viết, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét các giản đồ cân bằng pha cơ bản.
