Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 9

К сожалению, для расчета, приведенного выше конфигурационного интеграла нет необходимых данных кроме парного взаимодействия между атомами. Из ранее рассмотренной природы тепловых колебаний видим, что при сближении атомов возникают силы отталкивания, а при удалении действуют силы притяжения, обусловленные отрицательным зарядом "электронного газа". В промежуточном положении сила взаимодействия равна нулю (максимум потенциальной энергии), а следовательно Ф(R) максимальна при некотором правильном расположении атомов, отвечающем наиболее плотной их упаковке.

Рассмотрим в таком подходе жидкий металл с позиций диаграммы состояния: давление пара – температура (по уравнению Клаузиуса-Клапейрона) – рис. 15. При низких температурах, отвечающих конденсированному состоянию, вероятность такой конфигурации максимальна. А при очень высоких температурах показатель экспоненты конфигурационного интеграла становится мало зависимым от R, а преимущественно от температуры, что соответствует газообразному (пар) состоянию металла. Соответственно на данной диаграмме р-Т для металла жидкий сплав занимает промежуточное состояние между паром и твердым металлом. Рассмотрим особенности фазовых переходов при двух величинах давления: р₁ – более низком и р₂ – более высоком. При давлении р₁ возрастание температуры характеризуется горизонтальной прямой "аbс". На участке "а-b" с ростом температуры до значения Т₁ металл остается в твердом состоянии. В точке "b" происходит испарение и обе фазы твердая и газообразная сосуществует вместе. Подвод тепла не повышает температуру Т₁, а все подводимое тепло затрачивается на испарине. Переход из твердого состояния в парообразное описывается конфигурационным интегралом. Для твердого металла конфигурации системы соответствуют отображающим точкам, лежащим в некоторой ограниченной области конфигурационного пространства, для которого "объемная координата" близка к номинальному объему твердой фазы и отдельные атомы находятся в узлах кристаллической решетки.

Когда же система полностью перешла в паровую фазу конфигурация ее характеризуется значительно возросшей величиной объемной координаты. При всех возможных конфигурациях атомы находятся далеко друг от друга – расстояние увеличивается на три порядка.

При давлении р₂ возрастание температуры происходит по горизонтальной прямой "defg". Участок прямой "de" определяет твердое состояние металла. В точке "е" происходит переход из твердого состояния в жидкое. Участок прямой "ef" характеризует нагрев металла в жидком состоянии. В точке "f" происходит переход из жидкого в парообразное состояние.

Поскольку переход из твердого состояния в жидкое (точка "е") сопровождается лишь незначительным увеличением объема (~ на 3-6 %), то и конфигурационное пространство, соответствующее жидкой фазе, описывается на основе представлений о твердом состоянии.

В жидкости должно существовать много конфигураций, характеризующих довольно плотную упаковку атомов и обладающих малой потенциальной энергией. Но в этих конфигурациях отсутствует дальний порядок, типичный для твердого состояния. Это можно уподобить различными конфигурациями расположения шаров при встряхивании коробки с шарами. При многих конфигурациях упаковка здесь не столь правильная как в кристаллической решетке твердого металла, а поэтому и потенциальная энергия несколько выше. Однако количество "связей" здесь почти такое же, как в кристаллической решетке, а поэтому и потенциальная энергия ниже, чем при конфигурациях, отвечающих газообразному состоянию. В жидкости подобных конфигураций существует много больше, чем в твердом. А это означает большую степень разупорядочности для конфигурационного пространства жидкой системы.