CC BY
0
УДК 544, 54.01
СТЕПЕНЬ УДАЛЕНИЯ ОТ РАВНОВЕСИЯ КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
П. О. Шалаев1, Т. В. Фадеев1, Ф. Д. Евсеев1 Научный руководитель - В.П. Жереб 1,2
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660025, г. Красноярск, просп. им. газ. "Красноярский рабочий", 95 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. "Красноярский рабочий", 31
E-mail: alchemistplus@gmail.com
Обсуждается возможность использования количественных показателей состояния материала, определяющих степень удаления от равновесия, как фактора физико-химического анализ, определяющего влияние технологии на свойства материала. Показано, что в зависимости от степени отклонения состояния материала от равновесия - "вблизи" или "вдали" от равновесия - необходимо учитывать разные характеристики реального материала.
Ключевые слова: физико-химический анализ, состав-структура-технология-свойства, основы материаловедения
DEGREE OF REMOVAL FROM EQUILIBRIUM AS A TECHNOLOGICAL FACTOR
OF PHYSICO-CHEMICAL ANALYSIS
P. O. Shalaev1, T. V. Fadeev1, F. D. Evseev1 Scientific supervisor - V.P. Zhereb1,2
1 Siberian Federal University 95, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660025, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alchemistplus@gmail.com
The possibility of using quantitative indicators of the state of the material, which determine the degree of removal from equilibrium, as a factor in physical and chemical analysis, which determines the effect of technology on the properties of the material, is discussed. It is shown that depending on the degree of deviation of the state of the material from equilibrium - "near" or "far" from equilibrium - it is necessary to take into account different characteristics of the real material.
Keywords: physic-chemical analysis, composition-structure-technology-properties, fundamentals of materials science
Теоретической основой материаловедения является физико-химический анализ (ФХА) -раздел общей химии [1], исследующий закономерности связи состава и свойств веществ. Являясь теоретической основой материаловедения, ФХА в середине ХХ века получил развитие в работах школы выдающегося советского физикохимика академика И.В. Тананаева, в которых указанная методология была дополнена новым элементом -структурой, дисперсностью, превратившись в триаду состав - структура - свойства, а в 70-е годы прошлого века академик И.В. Тананаев, задолго до нынешнего нанотехнологического
Секция «Концепции современного естествознания»
бума, предложил для некоторых класса веществ учитывать дисперсность, преобразовав триаду в четырехчленную последовательность: "состав - структура - дисперсность -свойства", предвосхитив, тем самым, важнейшую роль размерности (масштаба) частиц, образующих материал, в формировании его свойств.
Принципиальное отличие материала от просто вещества в том, что материал, несомненно, являясь веществом, обладает таким, вполне определенно заданным комплексом свойств, который используется потребителем для решения каких-либо актуальных задач. Поэтому, можно дать более краткое, но достаточно общее определение: материал - вещество, востребованное цивилизацией.
Очевидно, что формирование заданного комплекса свойств, определяющих востребованность, а, значит, и стоимость материала, осуществляется с помощью технологии - совокупности определенным образом организованных процессов воздействия на вещество, преобразующего его в материал (рис. 1). Проблема развития методологии ФХА состоит в потребности не только качественно, но и строго количественно определить закономерности, обеспечивающие управление процессом формирование заданных свойств вещества, т.е. технологией. Для количественного определения этого многообразного, но весьма значимый для конечного продукта, фактора технологии, чтобы включить его в указанную выше триаду состав - структура - свойства, по-видимому, следует перейти на самый общий, энергетический уровень описания вещества.
Необходимо выделить такую характеристику состояния вещества, которая непосредственно связано с формируемым комплексом свойств и способна в интегральной форме количественно определить роль технологии. Проблема введения в указанную последовательность новых факторов, состоит в том, что они должны: 1) количественно определяться и однозначно рассчитываться через функции состояния термодинамической системы; 2) относится к стабильному или метастабильным состояниям равновесия. Неравновесной термодинамики, в которой выделяются состояния "вблизи" и "вдали" от равновесия [2-4]. При удалении термодинамической системы от равновесия (рис. 1) под влиянием внешнего управляющего воздействия вблизи равновесия в ней наблюдается пропорциональное возрастание энергии Гиббса. Этот интервал состояний вещества может быть описан в рамках линейной неравновесной термодинамики (область Онзагера) и характеризуется отсутствием в материале устойчивых неравновесных структур. Количественные характеристика заданных свойств в материале определяются процессами, интенсивность которых пропорциональна градиентам параметров состояния Х (рис. 1), например: диффузионные процессы описываются первым законом Фика:
1в = - Б • §гаё С,
где 1о - вектор диффузионного потока, Б - коэффициент диффузии, §гаё С - вектор градиента концентрации. Аналогичный вид имеют уравнения для потока теплоты и других явлений переноса [2, 3].
В технологических процесса, характеризующихся более интенсивными энергетическими воздействиями на вещество, обеспечивается формирование разного рода диссипативных структур [2, 3], которые удаляют состояние вещества в область, обозначенную на рис. 1, как "вдали от равновесия" (область Пригожина). Процесс формирования диссипативных структур в материале следует связывать с технологическими факторами, обеспечивающими формирование вполне определенного набора потребительских свойств материала за счет нового фазового состояния вещества. Как было показано в [4], диссипативные структуры могут рассматриваться как особого рода фазы. Количественное описание состояния вещества вдали от равновесия, таким образов, должно учитывать влияние не только равновесных фаз, но и диссипативных структур, влияние которых на устойчивость состояний вещества еще следует определить закономерностью, по-видимому, аналогичной правилу фаз Гиббса [2, 5].
X Состояние
" "вблизи" 1
1 равновесия
"вдали"от 1 1 "вдали "от
равновесия | ; равновесия
1
-АХ +ЛХ
Состояние
Рис. 1. Схема представления неравновесных состояний термодинамической системы «вблизи» и
«вдали» от равновесия
Развитие ФХА следует осуществлять, опираясь на сложившиеся в нем традиции количественного описания закономерностей "" на основе современных представлений как равновесной, так и неравновесной термодинамики. Учет влияния технологических факторов возможен через количественную связь между составом, структурой и степенью удаления вещества от состояния равновесия, обеспечивая формирование заданных свойствами материала.
Библиографические ссылки
1. Курнаков Н.С. Введение в физико-химический анализ. М.-Л.: Из-во АН СССР. 1940. 563 с.
2. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М. : Мир, 2002. 461 с.
3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 512 с.
4. Жереб В. П., Снежко А. А. Теоретические основы прогрессивных технологий. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. 2011. 128 с.
5. Елисеев Э. Н. Неравновесная кристаллография // Методологические проблемы кристаллографии / под ред. Н. В. Белова, Б. К. Вайнштейна, Э. Н. Елисеева. М.: Наука, 1985, с. 190-232.
© Шалаев ПО., Фадеев ТВ., Евсеев Ф.Д., 2022
