Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Наиболее перспективным является термодинамический метод, основанный на анализе поверхностных и объемных свойств твердых тел. Для нахождения коэффициента поверхностного натяжения или удельной полной по-
153
верхностной энергии твердых тел этим методом могут быть использованы любые соотношения из термодинамики дисперсных систем, определяющие изменения термодинамических величин, связанные с диспергированием твердой фазы. На этой основе были выведены уравнения, связывающие поверхностное натяжение кристалла с поверхностным натяжением собственного расплава [4, 5]. Уравнение для определения коэффициента поверхностного натяжения твердых металлов на границе с собственным расплавом, выраженное через коэффициент поверхностного натяжения расплава, имеет вид:
где отш — коэффициент поверхностного натяжения кристалла на границе с собственным расплавом; ат — коэффициент поверхностного натяжения кристалла; аш — коэффициент поверхностного натяжения расплава на границе с собственным паром; рт и рж— соответственно плотность кристалла и расплава; Кс — теплота сублимации; Ли — теплота испарения; L — теплота плавления.
Значения коэффициента поверхностного натяжения металлов на границе с собственным расплавом, определенные по этому уравнению, приведены в табл. 26.
(IV. 17)
Таблица 26
Значения 0Ж н для различных металлов н/м (эрг/см2)
Металл
о.
о.
ж
тж
Золото
Висмут
Кадмий
Медь
Железо
Ртуть
Калий
Магний
Натрий
Свинец
Платина
Олово
Цинк
Серебро
Алюминий
0,927(927) 0,505 (505) 1,134(1134) 0,389(389) 0,567(567) 1,066(1066) 1,409(1409) 0,465(465) 0,101 (101) 0,566(566) 0,191(191) 0,456(456) 1,819(1819) 0,537(537) 0,769(769)
0,047(47) 0,024 (24) 0,044(44) 0,018(18) 0,029 (29) 0,027(27) 0,046(46) 0,019(19) 0,003 (3) 0,017(17) 0,005 (5) 0,012 (12) 0,083 (83) 0,011 (11) 0,057(57)
154
Уравнение коэффициентов поверхностного натяжения твердых металлов на границе раздела с собственным паром имеет вид:
Найденные по этому уравнению значения коэффициента поверхностного натяжения твердых металлов приведены в табл. 27.
Таблица 27
Значения аж и ат для различных металлов
Металл Плотность, г1смъ Теплота, кдж’г-атом Коэффициент поверхностного натяжения, я/ж (эрг\смг)
Рт Рж плав- ления испаре- ния аж лг
Серебро 10,5 9,4 11,7 249 0,927(927) 1,045(1045)
Алюминий 2,7 2,4 9,8 225 0,505(505) 0,570 (570)
Золото 19,3 17,0 13,1 368 1,134(1134) 1,277(1277)
Висмут 9,8 10,1 8,9 193 0,389(389) 0,399(399)
Кадмий 8,6 8,0 5,2 107 0,567(567) 0,624 (624)
Медь 8,9 8,3 11,1 467 1,066(1066) 1,145(1145)
Железо 7,8 6,9 11,5 380 1,409(1409) 1,582(1582)
Ртуть 14,2 13,6 2,3 59 0,465(465) 0,506(506)
Калий 0,86 0,83 2,4 84 0,101(101) 0,106(106)
Магний 1,74 1,57 7,3 262 0,566(566) 0,623 (623)
Натрий 0,97 0,93 2,6 105 0,191 (191) 0,201(201)
Свинец 11,3 10,3 4,9 193 0,456(456) 0,496(496)
Платина 21,5 19,0 22,0 520 1,819(1819) 2,055(2055)
Олово 7,3 7,0 6,7 325 0,537(537) 0,565(565)
¦Цгак 7,1 6,7 7,1 99 0,769(769) 0,860 (860)
Наличие в поверхностном слое жидких и твердых металлов нескомпенсированных сил, т. е. избыточной поверхностной энергии, определяет характер и интенсивность процессов взаимодействия на границе основной металл — расплав припоя.
§ 13. ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА ФАЗ
Поверхность раздела между твердым основным металлом и расплавом припоя* характеризуется коэффи-
* Рассматривается граница раздела между чистыми фазами.
155
циентом поверхностного (межфазного) натяжения. Поскольку на поверхности раздела расположение атомов менее упорядочено, чем в объеме, то для увеличения поверхности раздела система должна совершить работу[6]
(IV. 19)
где dSp — приращение поверхности раздела.
Из первого закона термодинамики известно, что увеличение внутренней энергии системы равно разности между теплотой, сообщенной системе из окружающей среды, и работой, совершенной системой над окружающей средой:
dU—8Q — dA, (IV.20)
где 6Q — теплота, поглощаемая системой.
Для обратимого процесса
8 Q = TdS. (IV.21)
Если другой работы на границе раздела твердой и
жидкой фаз не совершается, а происходит лишь увеличение поверхности раздела, то, подставив в уравнение (IV.20) значение бQ, получим
d(J=TdS + adSp. (IV.22)
Энтальпия, или теплосодержание системы,
H = U + pV, (IV.23)
тогда
dH—dU -\-pdV -\-Vdp. (IV.24)
Так как изменение внутренней энергии системы dU при постоянном объеме равно количеству подведенной теплоты,то
dU^bQv, (1V.25)
где бQv — теплота, поглощаемая системой при изохори-ческом процессе.
При постоянном давлении изменение энтальпии также равняется количеству подведенной теплоты с обратным знаком:
156
dH — —bQp
(IV. 26)
Поскольку увеличение поверхности раздела происходит при постоянных объеме и давлении, то
dH = dU, (IV.27)
Изобарный термодинамический потенциал системы, взаимодействие в которой рассматривается при постоянном давлении, описывается соотношением:
G = Н — Т S, (IV.28)
где S — энтропия системы, дж/°К-Следовательно,
dG=dH-(TdS + SdT). (IV.29)
Подставив в уравнение (IV.29) значение TdS из уравнения (IV.21) и учитывая, что при постоянной температуре dH = dU, получим
