ТЕОРИЯ сварочных процессов

Элементы термодинамики твердых тел

Монолитность сварного соединения при сварке (см. гл. 1) обес­печивается образованием межатомных и межмолекулярных связей между частицами соединяемых материалов на поверхности их кон­такта. Процессы образования связей, их изменения при фазовых и структурных превращениях и их нарушения при разрушении мате­риалов развиваются в соответствии с законами термодинамики. Атомная структура металлических материалов является термоди­намической системой, которая представляет собой совокупность частиц, находящихся в состоянии упорядоченного и неупорядочен­ного теплового движения и силового взаимодействия. Применяются два метода анализа термодинамической системы: статистический и феноменологический. В статистическом методе рассматривается поведение отдельных частиц. В этом случае одним из важнейших параметров системы является среднестатистическая кинетическая энергия частиц:

Ё =—кТ, (12.1)

2

где к - постоянная Больцмана; Т - термодинамическая (абсолют­ная) температура, К.

Статистическое распределение всех частиц по значениям энер­гии от 0 до оо описывается распределением Максвелла - Больцмана

(рис. 12.2). Максимальное число частиц Nmax(Tj) имеет энергию, близкую к среднестатистической Чем выше температура, тем

меньше iVmax(7/) и тем большее число частиц имеет энергию, пре­вышающую среднестатистическую (Е>£'/):

7У(£>£/) = Лехр

Отклонение энергии частицы от Е называется флуктуацией энер­гии ±АЕ. Флуктуации энергии играют важную роль в процессах фазовых и структурных превращений.

При феноменологическом методе анализа состояния и свойств термодинамической системы она рассматривается как единое це­лое. Основными параметрами термодинамической системы явля­ются внутренняя энергия 6/, свободная энергия F и энтропия S. Общий запас внутренней энергии складывается из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движе­ний частиц и потенциальной энергии взаимодействия между ними. Свободная энергия - часть внутренней энергии, которая характе­ризует упорядоченное движение частиц и может быть превращена в работу. Энтропия - функция системы, характеризующая степень неупорядоченности теплового движения и силового взаимодейст­вия частиц. В соответствии с этим различают две составляющих

энтропии: вибрационную SB (характеризующую движение частиц)

и конфигурационную SK (обусловленную расположением частиц). Величина TS представляет собой связанную часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в работу.

В соответствии со вторым законом термодинамики только часть введенной в систему тепловой энергии может быть превра­щена в работу, т. е. расходуется на приращение свободной энер­гии, а остальная часть идет на увеличение энтропии. Все самопро­извольные процессы (без притока энергии извне) развиваются в направлении уменьшения свободной энергии. Развитию процесса соответствует отрицательное приращение свободной энергии (AF < 0), равновесию системы соответствует нулевое приращение (AF = 0) и минимум свободной энергии (F = Fmin). При этом имеет место увеличение энтропии системы. В термодинамических расче­тах для твердых тел при постоянном объеме (V~ const) использу­ют свободную энергию, которая носит название изохорного тер­модинамического потенциала или энергии Гельмгольца:

F =U - TS. (12.3)

В термодинамических расчетах для газа (при изменяемом объ­еме (V = var) и постоянном давлении (Р = const) используют изо­барный термодинамический потенциал - энергию Гиббса:

G = U-TS + PV. (12.4)

Методика расчета термодинамических параметров подробно рассмотрена в гл. 8. Для анализа физических процессов в металлах при сварке часто используют только тенденции изменений этих параметров.