{"id":21490,"date":"2022-10-10T11:55:40","date_gmt":"2022-10-10T03:55:40","guid":{"rendered":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/?p=21490"},"modified":"2022-10-10T11:55:40","modified_gmt":"2022-10-10T03:55:40","slug":"thermodynamics-of-materials","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/thermodynamics-of-materials\/","title":{"rendered":"Thermodynamik von Materialien"},"content":{"rendered":"
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\u00dcberblick \u00fcber die Thermodynamik<\/h2>\n

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Changes in thermal effects usually accompany all physical, chemical, and metabolic reactions occurring in nature. People’s understanding of the nature of heat has undergone a long and tortuous journey of exploration.<\/p>\n

Im fr\u00fchen 20. Jahrhundert nahmen Planck, Poincare, Gibbs und andere Wissenschaftler makroskopische Systeme als Untersuchungsgegenstand, basierend auf dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, und definierten Funktionen wie Enthalpie, Entropie, Helmholtz und Gibbs zusammen mit Ziel Eigenschaften wie P, V und T, die direkt gemessen werden k\u00f6nnen. Nach induktivem und deduktivem Denken wurden eine Reihe von thermodynamischen Formeln und Schlussfolgerungen erhalten, die zur L\u00f6sung von Energie, Phase und Reaktion verwendet wurden. Dies ist das Grundger\u00fcst der klassischen Thermodynamik. Gegenstand der klassischen Thermodynamik ist der Austausch von Materie und Energie in einem System. Es ist eine Wissenschaft, die sich st\u00e4ndig der Grenze n\u00e4hert und nur den Gleichgewichtszustand vor und nach der \u00c4nderung diskutiert. Es handelt sich nicht um die Mikrostruktur von Partikeln innerhalb der Materie.<\/p>\n

Boltzmann et al. combined quantum mechanics with classical thermodynamics to form statistical thermodynamics. Statistical thermodynamics belongs to the microscopic-to-macroscopic approach, which starts from the properties of microscopic particles and defines the system or particle’s partition function by finding the statistical probability, which is used as a bridge to establish the connection with the macroscopic properties.<\/p>\n

Die Zeit ist eine bedeutende unabh\u00e4ngige Variable in der Thermodynamik, und der Umgang mit der Zeitvariablen ist ein Zeichen, um verschiedene Ebenen der Thermodynamik zu unterscheiden. In der Physik wird die Entropiezunahme verwendet, um die unidirektionale Natur der Zeit zu beschreiben. Die Thermodynamik untersucht die M\u00f6glichkeiten, und die Kinetik untersucht die Realit\u00e4ten, dh die \u00c4nderungsrate und den \u00c4nderungsmechanismus. Die Kinetik ist eine Funktion des Reaktionsfortschritts gegen\u00fcber der Zeit, wobei der Verhaltenszustand und die Ausgabe des Systems nur vom Startzustand und den nachfolgenden Eingaben abh\u00e4ngen.<\/p>\n

So viele in der Natur auftretende Ph\u00e4nomene sind irreversible Prozesse im Nichtgleichgewicht, was die Thermodynamik vom Gleichgewicht in das Nichtgleichgewicht treibt. In den 1950er Jahren gr\u00fcndeten Prigogine I, Onsager L und andere die Nichtgleichgewichtsthermodynamik (NET), und die lokale Gleichgewichtsannahme ist die zentrale Nichtgleichgewichtsannahme der Thermodynamik. Unter ihnen etablierte Onsager L. 1931 die inverse Gleichgewichtsbeziehung des Nur-Bild-Koeffizienten, und Prigogine schlug 1945 das Prinzip der minimalen Entropiezunahme f\u00fcr feste Nichtgleichgewichtszust\u00e4nde vor, das auf lineare Nichtgleichgewichtssysteme nahe dem Gleichgewichtszustand anwendbar ist. F\u00fcr Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, hat die von Progogine geleitete Br\u00fcsseler Schule nach jahrelangen Bem\u00fchungen die ber\u00fchmte dissipative Strukturtheorie aufgestellt, die sp\u00e4ter durch einige selbstorganisierende Ph\u00e4nomene wie die Wolkenstra\u00dfe und das Konvektionsexperiment von Benard best\u00e4tigt wurde (siehe Abbildung 1). Die dissipative Strukturtheorie wies darauf hin, dass offene Systeme fern vom Gleichgewicht geordnete Zust\u00e4nde bilden k\u00f6nnen, was das Fenster der Naturwissenschaften zu den Lebenswissenschaften \u00f6ffnet.
\nGegenw\u00e4rtig ist die Thermodynamik nicht mehr nur die Wissenschaft zum Studium der Grundgesetze thermischer Ph\u00e4nomene, sie ist eng mit der Systemtheorie, den nichtlinearen Wissenschaften, den Biowissenschaften und dem Ursprung des Universums verbunden, und ihre Anwendungen umfassen Physik, Chemie, Biologie, Ingenieurwissenschaften und Technologie sowie Kosmologie und soziale Disziplinen [1].<\/p>\n

Entstehung und Entwicklung der Materialthermodynamik<\/h2>\n

Der Fortschritt und die Entwicklung der modernen Materialwissenschaften wurden von der Thermodynamik unterst\u00fctzt und unterst\u00fctzt, die die Anwendung der klassischen Theorie der Thermodynamik und der statistischen Thermodynamik auf dem Gebiet der Materialwissenschaften darstellt, und ihre Entstehung und Entwicklung ist eines der Zeichen f\u00fcr die Reife der Materialwissenschaften.<\/p>\n

Seit dem Erscheinen des Gibbs-Phasengesetzes im Jahr 1876 wandte H. Roozeboom das Phasengesetz auf Mehrkomponentensysteme im Jahr 1899 an, Roberts-Austen konstruierte 1900 die urspr\u00fcngliche Form des Fe-Fe3C-Phasendiagramms, das theoretische Unterst\u00fctzung f\u00fcr die Untersuchung von Stahlmaterialien lieferte; dann, im fr\u00fchen 20. Jahrhundert, erstellten G. Tamman und andere durch Experimente eine gro\u00dfe Anzahl von Metallsystem-Phasendiagrammen. In den fr\u00fchen 1950er Jahren schlug R. Kikuchi eine moderne statistische Theorie der Entropiebeschreibung vor, die die Bedingungen f\u00fcr die Kombination der thermodynamischen Theorie schuf und Grundprinzipien; In den fr\u00fchen 1960er Jahren untersuchten M. Hillert und andere die Thermodynamik von Nichtgleichgewichtssystemen, was zur Entstehung des Gebiets der Instabilit\u00e4tszersetzung f\u00fchrte und das Verst\u00e4ndnis der Bildung von materiellen Geweben bereicherte; in den 1970er Jahren f\u00fchrten L. Kaufman, M. Hillert und andere die ersten Phasendiagramme f\u00fcr Stahlwerkstoffe ein. . Kaufman, M. Hillert und andere bef\u00fcrworteten die Berechnung der Phasendiagramm-Thermodynamik (CALPHAD), die die Materialforschung nach und nach in die \u00c4ra des Materialdesigns nach praktischen Bed\u00fcrfnissen brachte [2].<\/p>\n

In June 2011, the U.S. announced a $500 million Advanced Manufacturing Partnership, one of the core elements of which is the Materials Genome Initiative (MGI). “The MGI aims to provide the necessary toolset for the development of new materials, reduce the reliance on physical experiments through powerful computational analysis, and significantly accelerate the variety and speed of new materials brought to market by advances in experimentation and characterization, reducing the development cycle from the current 10-20 years to 2-3 years.<\/p>\n

Materials thermodynamics studies the melting and solidification of solid materials, solid-state phase transitions, phase equilibrium relationships and compositions, microstructural stability, and the direction and driving force of phase transitions. In order to describe the free energy, enthalpy, entropy, etc. of various types of phases, various image-only or statistical thermodynamic models have been proposed, such as the ideal solute model, the regular solute model, the subregular solute model, the quasi-chemical model, the atomic sum model, the central atom model, the double sub dot model, the variational group model (CVM), the Bragg-Williams approximation, the Bethe approximation, the Ising approximation, Miedema approximation, etc. Diffusion is the main content of kinetic studies, including the formation and growth of nuclei during solidification, as well as homogenization, distribution, and redistribution of solute atoms in the alloy during heat treatment, which can be deduced from Fick’s first and second laws.<\/p>\n

Thermodynamische Berechnungen decken ein breites Spektrum wesentlicher Werkzeuge f\u00fcr die Analyse und das Verst\u00e4ndnis materialwissenschaftlicher Probleme ab: Gm-x-Diagramme, Phasendiagramme, TTT-Kurven, CCT-Kurven usw. Die erfolgreichste Kernanwendung darunter ist die Phasendiagrammberechnung. Phasendiagramme k\u00f6nnen basierend auf den Methoden, mit denen sie erstellt wurden, in drei Kategorien eingeteilt werden.<\/p>\n

1, experimentelle Phasendiagramme: unter Verwendung experimenteller Mittel (DSC, DTA, TG, R\u00f6ntgenbeugung, Elektronensonden-Mikroregion-Zusammensetzungsanalyse usw.), haupts\u00e4chlich f\u00fcr di- und tern\u00e4re Systeme.<\/p>\n

2, theoretisches Phasendiagramm, auch bekannt als erstes Rechenphasendiagramm, erfordert keine Parameter, die Verwendung der Ab-initio-Methode, um ein theoretisches, rechnerisches Phasendiagramm zu erreichen, nur eine kleine Anzahl von Berichten bei der Gestaltung einzelner Bin\u00e4rdateien und Materialien des tern\u00e4ren Systems.<\/p>\n

3, rechnerische Phasendiagramme, deren Kernst\u00fcck die Computerkopplung des theoretischen Modells und der thermodynamischen Datenbank ist. Die meisten international bekannten Programme verwenden den CALPHAD-Modus, einschlie\u00dflich Thermo-Calc, Pandat, FactSage, Mtdata, JMatPro usw. Die meisten Beschreibungen der freien Energie von gel\u00f6sten Stoffen im CALPHAD-Modus verwenden das subregul\u00e4re Modell gel\u00f6ster Stoffe, und der Prozess wird in gezeigt Abbildung 3, die auf den Eigenschaften jeder Phase im System basiert, thermodynamische Eigenschaften, Phasengleichgewichtsdaten, Kristallstruktur und andere Informationen in einem integriert, thermodynamische Modelle und freie Energieausdr\u00fccke erstellt und dann das Phasendiagramm basierend auf berechnet thermodynamische Bedingungen des multivariaten Mehrphasengleichgewichts und erhalten schlie\u00dflich das thermodynamisch selbstkonsistente Phasendiagramm des Systems und die optimierten Parameter, die die thermodynamischen Eigenschaften jeder Phase beschreiben.<\/p>\n

Zum Beispiel Cui-Ping Wang, Xing-Jun Liu, Ikuo Onuma et al. bewerteten die thermodynamischen Parameter jeder Phase des tern\u00e4ren Cu-Ni-Sn-Systems mit der CALPHAD-Methode. Ihre berechneten Ergebnisse stimmten gut mit den experimentellen Werten \u00fcberein, wie in Abb. 4 gezeigt. Sie berechneten auch den geordnet-ungeordneten \u00dcbergang der bcc-Phase und die L\u00f6slichkeitsl\u00fccke der fcc-Phase in diesem tern\u00e4ren System, das f\u00fcr die Entwicklung von high wichtig ist -starke und hochleitf\u00e4hige neue Cu-Sn-Systeme mit Ausscheidungsverst\u00e4rkung und Spinodalzersetzung. Und hohe Leitf\u00e4higkeit neuer Legierungen auf Cu-Basis mit Spinodal-Zersetzung [3].
\nDie kinetischen Berechnungen basieren auf thermodynamischen Berechnungen, wobei ein Diffusionskinetikmodell mit Zeit als Variable und eine atomare Mobilit\u00e4tsdatenbank eingef\u00fchrt werden und die Beziehung zwischen dem thermodynamischen Zustand des Materials und der Zeit durch eine gro\u00dfe Anzahl iterativer Operationen erhalten wird.<\/p>\n

Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Materialthermodynamik<\/h2>\n

In jedem System sind thermodynamische, kinetische und Materialstrukturaspekte eng miteinander verbunden. Die Mikrostruktur und die thermodynamischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe beeinflussen die Entwicklung der erzeugten Phasen und Mikrostrukturen w\u00e4hrend der Erstarrung und W\u00e4rmebehandlung. Beispielsweise werden bei Legierungen des Al-Cu-Systems gel\u00f6ste Atome \u00fcbers\u00e4ttigt und w\u00e4hrend der festen L\u00f6sung ausgef\u00e4llt, was eine sph\u00e4risch symmetrische Verzerrung verursacht; W\u00e4hrend des Aush\u00e4rtens wird zuerst die GP-Zone gebildet, gefolgt von der Aggregation und Anordnung von gel\u00f6sten Atomen auf kristallographischen Ebenen mit niedrigem Index, wodurch schlie\u00dflich eine nicht kok\u00f6rnige Theta (Al2Cu)-Gleichgewichtsphase erzeugt wird. Wenn die Gr\u00f6\u00dfe der w\u00e4hrend der Verfestigung oder Homogenisierung erzeugten Phase gr\u00f6\u00dfer als 0,5 &mgr;m ist, tritt Versetzungsverstopfung an der Grenzfl\u00e4che auf, wenn sie belastet wird, und wird zu einer Quelle von Rissen; wenn die Gr\u00f6\u00dfe zwischen 0,005 und 0,05 &mgr;m liegt und eine feine diffuse Verteilung hat, kann sie die Rekristallisation und das Kornwachstum behindern. Nat\u00fcrlich sind thermische und kinetische Theorien inzwischen in alle Bereiche der Materialien eingedrungen und zu einem effektiven theoretischen Leitfaden und notwendigen analytischen Werkzeug geworden.<\/p>\n

(1) Traditionelle Stahlindustrie<\/h3>\n

Das General Research Institute of Iron and Steel, als gr\u00f6\u00dfte professionelle Forschungs- und Entwicklungsinstitution f\u00fcr Stahlwerkstoffe in China, war eine der ersten, die thermodynamische Berechnungsmethoden und Software eingef\u00fchrt hat, und hat fruchtbare Forschungsergebnisse in der nickelsparenden Edelstahlkonstruktion, der VN-Mikrolegierung, erzielt Technologie und 9 Ni Niedertemperaturstahl f\u00fcr LNG [4].<\/p>\n

(2) Metallmatrix-Verbundwerkstoffe<\/h3>\n

Fan Tongxiang, Li Jianguo, Sun Zuqing und andere haben viel \u00fcber die Steuerung der Reaktion zwischen der Verst\u00e4rkungsphase und der Matrixgrenzfl\u00e4che, die Auswahl des Typs der reaktionsautogenen Verst\u00e4rkungsphase, das Design des Verbundsystems und die Herstellungsverfahren unter Verwendung thermodynamischer und kinetischer Modelle [5]. Und ein Beispiel f\u00fcr die Anwendung ist, dass die Berechnungen der Thermodynamik von Materialien sehr bei der Entwicklung helfen Sinter HIP<\/a> Verfahren zur Herstellung von Wolframcarbid.<\/p>\n

(3) Nanomaterialien<\/a><\/h3>\n

Im Jahr 2000 verwendeten Chamberlin von der Arizona State University, USA, den Begriff Nanothermodynamik in der Untersuchung des kritischen Verhaltens von Ferromagneten, Giebultowica, Hill et al. zeigte die gro\u00dfe Rolle der Nanothermodynamik im Umgang mit dem Wachstum und den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Nanosystemen, Dalian Institute of Chemical Kapazit\u00e4t von Nanomaterialien [6].<\/p>\n

(4) Formged\u00e4chtnislegierungen<\/h3>\n

Lidija GOMIDZELOVIC et al. verwendeten das Muggianu-Modell und kombinierten es mit Experimenten, um das Phasendiagramm der Formged\u00e4chtnislegierung Cu-Al-Zn bei 293 K mit der Software Thermo-Calc zu berechnen und die Gewebeeigenschaften zu untersuchen [7].<\/p>\n

Dar\u00fcber hinaus gibt es Anwendungen im Zusammenhang mit thermodynamischen Computersimulationen in Mg-basierten Wasserstoffspeichermaterialien, Graphen-Grenzfl\u00e4chen und deren Adsorptionseigenschaften.<\/p>\n

Trends in der Materialthermodynamik<\/h2>\n

Fast keine praktische Materialstruktur ist thermodynamisch stabil, und Diffusion, Phasen\u00e4nderung, Versetzungserzeugung und Bewegung sowie Materialverformung und -bruch beinhalten verschiedene Nichtgleichgewichte, was eine Kombination des CALPHAD-Modells mit anderen Theorien in praktischen Anwendungen erfordert, um es realistischer zu machen simulieren Sie die reale Situation, wie z. B.: mit First-Principles, Dichtefunktionstheorie (DFT) und Mehrphasenfeldmethode (MFM); Kombination mit physikalischen metallurgischen Modellen zur Vorhersage von H\u00e4rte, Festigkeit, Dehnung usw.; Einf\u00fchrung von Keimbildungs-, Wachstums- und Vergr\u00f6berungsmodellen von Zellen und ausgef\u00e4llten Phasen zur Berechnung von CCT-, TTT-Phasen\u00fcbergangskurven, Korngr\u00f6\u00dfe, Morphologie usw. Die Materialeigenschaften wie CCT- und TTT-Phasen\u00fcbergangskurven, Korngr\u00f6\u00dfe und Keimbildungsrate werden berechnet .<\/p>\n

In Zukunft simulieren mehrskalige integrierte Computersimulationen, einschlie\u00dflich Thermodynamik und Kinetik, zusammen mit spezialisierten Datenbanken zur Realisierung der Materialdesignphase den gesamten Prozess der Materialherstellung und -aufbereitung und -wartung, um die Gewebeentwicklung und makroskopischen Eigenschaften von Materialien vorherzusagen. und die Gewebeeigenschaften w\u00e4hrend des Pr\u00e4parationsprozesses pr\u00e4zise zu regulieren, sind die Haupttrends in der Entwicklung thermischer und kinetischer Materialien [8,9].<\/p>\n

Verweise<\/h2>\n

[1] Xu Zuyao, Thermodynamik von Materialien, Higher Education Press, 2009<\/p>\n

[2] Dai Zhanhai, Lu Jintang, Kong Gang. Forschungsfortschritt zur Phasendiagrammberechnung [J]. Zeitschrift f\u00fcr Materialforschung, 2006, 4(20): 94-97<\/p>\n

[3] Cui-Ping Wang, Xing-Jun Liu, Yun-Qing Ma, Ikuo Onuma, Ryo-Suke Kainuma, Kiyohito Ishida. Thermodynamische Berechnung des Phasengleichgewichts des tern\u00e4ren Cu-Ni-Sn-Systems [J]. Chinesisches Journal f\u00fcr Nichteisenmetalle, 2005(11): 202-207.<\/p>\n

[4] Dong Enlong, Zhu Yingguang, PanTao. Entwicklung einer 9Ni-Niedrigtemperatur-Druckbeh\u00e4lterstahlplatte f\u00fcr LNG [C], Proceedings of the National Low Alloy Steel Annual Conference. Beidaihe: Zweig der Chinesischen Gesellschaft f\u00fcr Metalle aus niedriglegiertem Stahl, 2008:741-749<\/p>\n

[5] Fan Tongxiang, Zhang Congfa, Zhang Di. Fortschritte in der Thermodynamik und Kinetik von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen[J]. China Materials Progress, 2010, 29(04): 23-27<\/p>\n

[6]JYANG Jun-Ying, HUANG Zai-Yin, MI Yan, LI Yan-Fen, YUAN Ai-Qun. Aktueller Stand und Perspektiven der Thermodynamik von Nanomaterialien[J]. Fortschritte in der Chemie, 2010, 22 (06): 1058-1067.<\/p>\n

[7]Lidija GOMIDZELOVIC, Emina POZEGA, Ana KOSTOV, Nikola VUKOVIC, Thermodynamik und Charakterisierung der Formged\u00e4chtnis-Cu-Al-Zn-Legierung [J]. Transaktionen der Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(08): 2630-2636<\/p>\n

[8]Liux J., Takaku Y., Ohnuma I., et al. Design bleifreier Lote in elektronischen Verpackungen durch computergest\u00fctzte Thermodynamik und Kinetik [J]. Zeitschrift f\u00fcr Materialien und Metallurgie, 2005, 4(2): 122-125<\/p>\n

[9] Chen Q, Jeppsson J, Agren J. Analytische Behandlung der Diffusion w\u00e4hrend des Niederschlagswachstums in Mehrkomponentensystemen [J]. Acta Materialia, 2008, 56:1890-1896<\/p><\/div>\n

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Overview of thermodynamics Changes in thermal effects usually accompany all physical, chemical, and metabolic reactions occurring in nature. People’s understanding of the nature of heat has undergone a long and tortuous journey of exploration. In the early 20th century, Planck, Poincare, Gibbs, and other scientists took macroscopic systems as the object of study, based on…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":21491,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-21490","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Thermodynamics-of-Materials.png","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/21490","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=21490"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/21490\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/21491"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=21490"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=21490"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=21490"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}