Результаты исследования позволяют лучше понять природу фазовых переходов в углеродных наноматериалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых технологий — от электроники до медицины.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт».

Точка плавления, точка замерзания, точка кипения

Точка плавления, точка замерзания, Температура кипения

Температура плавления и замерзания Путевая точка

Чистые кристаллические твердые вещества имеют характеристическую температуру плавления , температура, при которой твердое вещество плавится и превращается в жидкость. Переход между твердым телом а жидкость настолько острая для небольших образцов чистого вещества, что точки плавления могут быть измеренным до 0.1 ^o C. Температура плавления, например, твердого кислорода составляет -218,4 ^o С.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердые тела, известную как их точка замерзания . Теоретически температура плавления твердого тела должна быть то же, что и точка замерзания жидкости. На практике небольшие различия между этими количества можно наблюдать.

Трудно, если не невозможно, нагреть твердое тело выше его точки плавления, потому что тепло, которое входит в твердое тело при его температуре плавления, используется для преобразования твердого вещества в жидкость.Однако возможно охлаждение некоторых жидкостей до температур ниже их точки замерзания. точки, не образуя твердого тела. Когда это сделано, жидкость называется переохлажденной .

Пример переохлажденной жидкости может быть получен путем нагревания твердого ацетата натрия. тригидрат (NaCH ₃ CO ₂ 3 H ₂ O). Когда это твердое вещество тает, ацетат натрия растворяется в воде, которая была захвачена кристаллом, с образованием раствора. Когда раствор остынет до комнатной температуры, он должен затвердеть.Но часто этого не происходит. Если в жидкость добавляется небольшой кристалл тригидрата ацетата натрия, однако содержимое колбы затвердевают в течение нескольких секунд.

Жидкость может стать переохлажденной, поскольку частицы твердого тела упакованы в регулярная структура, характерная для данного вещества. Что-нибудь из этого твердые вещества образуются очень легко; другие нет. Некоторым нужна частица пыли или затравочный кристалл, действовать как место, на котором кристалл может расти. Для образования кристаллов натрия тригидрат ацетата, ионы Na ⁺ , ионы CH ₃ CO ₂ ^— , и молекулы воды должны собраться вместе в правильной ориентации.Это сложно для эти частицы организуются, но затравочный кристалл может обеспечить основу для что правильное расположение ионов и молекул воды может расти.

Потому что трудно нагреть твердые тела до температур выше их точек плавления, и поскольку чистые твердые вещества имеют тенденцию плавиться в очень небольшом диапазоне температур, точки плавления часто используется для идентификации соединений. Мы можем различать три известных сахара как глюкоза ( MP = 150 ^o C), фруктоза ( MP = 103-105 ^o C) и сахарозы ( MP = 185-186 ^o C), для например, путем определения точки плавления небольшого образца.

Измерения температуры плавления твердого тела также могут предоставить информацию о чистота вещества. Чистые кристаллические твердые вещества плавятся в очень узком диапазоне температуры, тогда как смеси плавятся в широком диапазоне температур. Смеси также склонны к плавятся при температурах ниже точек плавления чистых твердых веществ.

Точка кипения

Когда жидкость нагревается, она в конечном итоге достигает температуры, при которой пар давление достаточно велико, чтобы внутри тела жидкости образовывались пузырьки.Эта температура называется точкой кипения . Как только жидкость закипит, температура остается постоянной, пока вся жидкость не превратится в газ.

Нормальная температура кипения воды составляет 100 ^o C. Но если вы попытаетесь приготовить яйцо в кипящей воды во время кемпинга в Скалистых горах на высоте 10 000 футов, вы обнаружит, что яйцо готовится дольше, потому что вода кипит только при температуре 90 ^o C на этой высоте.

Теоретически нельзя нагревать жидкость до температуры выше нормальной. точка кипения. Однако до того, как микроволновые печи стали популярными, использовались скороварки. чтобы сократить время приготовления пищи. В обычной скороварке вода может оставаться жидкостью при температурах до 120 ^o C, а пища готовится в меньше одной трети обычного времени.

Чтобы объяснить, почему вода закипает при температуре 90 ^o C в горах и 120 ^o C в скороварку, даже если нормальная температура кипения воды составляет 100 ^o C, мы надо понимать, почему закипает жидкость.По определению жидкость закипает, когда пар давление газа, выходящего из жидкости, равно давлению, оказываемому на жидкость в окружающей среде, как показано на рисунке ниже.

Нормальная температура кипения воды составляет 100 ^o C, потому что это температура при котором давление пара воды составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм.В нормальных условиях, когда давление атмосферы примерно 760 мм рт. ст., вода закипает при температуре 100 ^o C. На высоте 10 000 футов над уровнем моря атмосферное давление составляет всего 526 мм рт. На этих над уровнем моря вода закипает, когда давление ее паров составляет 526 мм рт. ст., что происходит при температуре из 90 ^o C.

Скороварки оснащены клапаном, который позволяет выходить газу при повышении давления. внутри банка превышает некоторую фиксированную стоимость. Этот клапан часто устанавливается на 15 фунтов на квадратный дюйм, что означает что водяной пар внутри горшка должен достичь давления 2 атм, прежде чем он сможет уйти.Поскольку вода не достигает давления пара 2 атм, пока температура не достигнет 120 ^o C, он кипит в этом контейнере при 120 ^o C.

Жидкости часто закипают неравномерно, или поднимает . Они имеют тенденцию натыкаться, когда есть нет ли царапин на стенках емкости, где могут образоваться пузыри. Натыкаясь легко предотвратить, добавив в жидкость несколько кипящих стружек, которые обеспечивают грубую поверхность, на которой могут образовываться пузырьки. При варке чипсов практически все на поверхности этих стружек образуются пузыри, которые поднимаются сквозь раствор.

Почему вещи тают, когда нагреваются?

Жаркий летний день. Вы расслабляетесь у бассейна, и у вас внезапно возникает желание побаловать себя прохладным удовольствием. После быстрого похода в снек-бар вы расслабляетесь, чтобы понежиться в солнечных лучах с большим стаканом холодного чая и мороженым.

Вдруг друг через бассейн выкрикивает ваше имя. Вы подбегаете, чтобы поприветствовать друга, которого не видели с тех пор, как окончили школу.Через несколько минут вы вернетесь на свое место и обнаружите, что произошла катастрофа.

Когда вы уходили, у вас был высокий стакан холодного чая и плитка мороженого. По возвращении у вас есть стакан прохладного водянистого чая и лужа мороженого. Что тут происходит? Они, конечно, растаяли!

Не рекомендуется оставлять кубики льда и мороженое под палящими лучами солнца, если вы хотите, чтобы они оставались прохладными. Почему нет? Всем известен ответ: они тают. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, почему вещи тают, когда нагреваются? Что именно здесь происходит?

Плавление — это естественный научный процесс, который ученые называют фазовым переходом.Это происходит на молекулярном уровне. Все, что вы видите вокруг себя, состоит из молекул. Молекулы — это крошечные частицы, которые обычно нельзя увидеть невооруженным глазом.

Молекулы состоят из основных строительных блоков, называемых элементами. Например, молекула воды (h3O) состоит из двух элементов: водорода и кислорода. В частности, каждая молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода.

Когда вода находится в твердом состоянии, которое мы называем льдом, ее отдельные молекулы плотно упакованы вместе. На самом деле они упакованы так плотно, что едва могут двигаться. Это то, что придает льду твердую природу.

Когда энергия добавляется в виде тепла, молекулы воды начинают возбуждаться и двигаться. По мере того, как добавляется все больше и больше тепла, молекулы движутся все быстрее и быстрее, вызывая расшатывание структуры молекул. По мере ослабления конструкции допускается большее движение. Вы видите это в форме превращения твердого льда в жидкую воду или в том, что мы называем таянием.

В жидкости молекулы воды все еще могут держаться вместе, но они легко перемещаются.Если добавить дополнительное тепло, они будут так возбуждены, что больше не смогут держаться вместе. Когда это происходит, жидкость превращается в газ, а молекулы распадаются и уходят в воздух.

Температура, при которой вещество превращается в жидкость, называется его точкой плавления. У каждого вещества есть точка плавления. Например, температура плавления воды в форме льда составляет 32 ° F. Когда температура поднимется выше отметки 32 ° F, лед начнет таять в жидкую воду.

Многие другие вещества имеют температуру плавления намного выше, чем у льда.Специфические свойства атомов в твердом теле и способ их связи друг с другом определяют температуру плавления вещества.

Например, химические элементы с наивысшими температурами плавления — это вольфрам и углерод, которые плавятся при температуре 6192 ° F и более 7000 ° F соответственно. Ученые также смогли смешать различные металлы вместе, чтобы сделать сплавы с чрезвычайно высокими температурами плавления. Один из таких сплавов, карбид тантала и гафния, плавится при поразительной температуре 7619 ° F!

Температура расплава — обзор

3.7.2 Температура расплава

Контроль температуры расплава полимера является критическим параметром для воспроизведения процесса экструзии. Термопары расплава должны быть правильно расположены и спроектированы так, чтобы давать точные показания. Измерение температуры расплава внутри цилиндра экструдера нецелесообразно, поскольку вращающийся шнек может срезать зонд расплава в потоке расплава. Измерения температуры расплава проводились в цилиндрах с инфракрасными датчиками, которые либо являются частью датчика давления, либо имеют размер, соответствующий отверстию датчика давления в цилиндре.Точность ИК-измерения зависит от регистрируемой температуры и коэффициента излучения источника. Утверждается, что ИК-излучение проникает в полимер и измеряет температуру расплава на определенной глубине. Эта глубина по отношению к имеющемуся материалу несколько сомнительна.

Для измерения температуры расплава в адаптере, переходной трубе или матрице требуется проникновение в поток расплава. Профиль скорости полимера имеет более высокий поток в середине потока расплава, чем вдоль стенок.В результате возникает профиль температуры плавления от стенки к центру. Теплопроводность термопары также может привести к ошибочным показаниям температуры расплава. Еще один фактор, который следует учитывать, — это рассеяние энергии на зонде из-за сдвигового нагрева полимера, когда полимер течет вокруг зонда.

Некоторые доступные конструкции датчиков температуры расплава показаны на рис. 3.36. Термопара A заподлицо не нарушает поток смолы в канале; однако он больше измеряет температуру металла, чем температуру плавления.При использовании зонда, устанавливаемого заподлицо, температура плавления аналогична температуре переходника, перехода или матрицы, даже если эти температуры значительно выше или ниже температуры цилиндра экструдера. Вероятно, что измеренная температура относится к металлу, а не к расплаву. Температура полимера у стены всегда соответствует температуре металла. Термопары B и C на рисунке 3.36 представляют собой прямые зонды, выступающие в поток расплава. Это простые и прочные термопары, обеспечивающие хорошую температуру плавления в канале.Погрешность измерения возникает из-за сдвигового нагрева, вызванного течением полимера вокруг термопары и проводимости вдоль зонда. Термопара D на рис. 3.36 может регулироваться в радиальном направлении в потоке расплава. Эта регулируемая термопара позволяет измерять однородность расплава по каналу расплава, где температура может варьироваться до 20 ° F (11 ° C). При сравнении данных обработки от цикла к запуску с радиально регулируемыми термопарами, положение зонда термопары в потоке расплава должно быть постоянным.Во время запуска процесса эти датчики следует убрать из потока расплава, чтобы предотвратить поломку. В настоящее время радиально регулируемые зонды более распространены в научно-исследовательских лабораториях и на линиях разработки технологических процессов, чем в производственной среде. Наконец, мосты для термопар, обозначенные буквой E на рис. 3.36, позволяют проводить одновременные измерения в разных точках потока расплава, обеспечивая мгновенный поперечный температурный профиль. На рис. 3.37 показана регулируемая термопара расплава К-типа, которая выступает в поток расплава.

Рисунок 3.36. Расплавьте термопары.

Рисунок 3.37. Термопара расплава типа К.

Температура расплава имеет решающее значение для управления процессом и является параметром, который необходимо тщательно контролировать при настройке, оценке или устранении неисправностей процесса. Вязкость и текучесть полимера напрямую связаны с температурой плавления. Более высокая температура плавления приводит к более низкой вязкости, что приводит к более низкому сопротивлению потоку в плавильной трубе и фильере, а также к более высокому потоку противодавления в экструдере.Эта комбинация обычно приводит к более низкому результату. Более низкая температура плавления приводит к более высокой вязкости и более высокому сопротивлению потоку в плавильной трубе и фильере, а также к более низкому потоку противодавления в экструдере. Эта комбинация обычно приводит к более высокой производительности.

Термопары состоят из двух разнородных металлических проводов, соединенных на обоих концах, причем один конец имеет температуру, отличную от температуры другого конца. Возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), в результате чего в замкнутом контуре протекает электрический ток.При предсказуемом протекании тока и поддержании известной температуры одного соединения или перехода можно определить температуру другого. Длина или размер провода не влияют на измерение температуры. Любые две разные проволоки можно использовать для изготовления термопары; однако для получения воспроизводимых результатов каждый раз необходимо использовать одну и ту же комбинацию проводов. Термопара J-типа показана на рисунке 3.38. Технология термопар возможна благодаря законам однородных цепей и промежуточных металлов.Закон однородных цепей гласит, что на однородные проводники термопар не влияют промежуточные температуры или перепады температур вдоль проводов. Это позволяет использовать длинные выводы термопары во всех температурных средах. Закон промежуточных металлов гласит, что третий металл может быть введен в цепь, не влияя на измеряемую температуру, при условии, что соединения с третьим металлом имеют одинаковую температуру. Это позволяет прибору, производящему измерения, быть из металла, отличного от металла проводов термопары.

Рисунок 3.38. Стандартная термопара.

Со временем некоторые металлы были выбраны для производства стандартных термопар; некоторые из них показаны в таблице 3. 4. Самая распространенная термопара, используемая в экструдерах, — это термопара K. Переносные пирометры, используемые при переработке пластмасс, обычно представляют собой термопары типа J или K. Каждый тип термопары имеет уникальный цвет разъема и провод термопары. При заказе провода для термопары убедитесь, что приобретен правильный провод и размер, соответствующий типу термопары и ее применению.Важно, чтобы термопара соответствовала области применения.

Таблица 3.4. Доступны некоторые типы термопар

Три спая термопары, показанные на рисунке 3. 39, имеются в продаже. Заземленные переходы используются там, где присутствует электромагнитная индукция или радиочастотные помехи, которые могут мешать сигналу термопары или измерениям. У них более быстрое время отклика, чем у изолированных переходов. Второй переход — это изолированная незаземленная модель с более медленным временем отклика из-за изоляции. Обычно они используются в экструдерах и портативных пирометрах. Термопары с открытым спаем имеют самое быстрое время отклика; однако при открытых переходах они легко повреждаются и подвержены окислению и температурному ухудшению.

Рисунок 3.39. Переходы термопар.

Время срабатывания термопары зависит от диаметра оболочки и типа перехода. Меньшие диаметры дают более быстрый отклик. Преимуществами термопар являются их прочность, дешевизна, высокая чувствительность, широкий диапазон температур и чувствительность наконечника. Недостатки заключаются в том, что их выходы нелинейны, а точность зависит от чистоты используемых металлических проводов. Нелинейность выходного сигнала не является серьезным ограничением, поскольку измерительное оборудование обычно учитывает это при преобразовании ЭДС в температуру.

Еще одно устройство для измерения температуры — резистивный датчик температуры (RTD). Работа RTD основана на предсказуемом увеличении или уменьшении электрического сопротивления с температурой. Зонд, показанный на рис. 3.40, представляет собой сборку, содержащую элемент, оболочку, подводящие провода и соединения. Элемент, который измеряет температуру, представляет собой платиновую, медную или никелевую проволоку, намотанную на керамический или стеклянный сердечник. Чтобы указать RTD, необходимо знать длину элемента, диаметр элемента и сопротивление в омах при 0 ° C.Преимущества RTD по сравнению с термопарами заключаются в том, что отклик более линейный и стабильность сигнала лучше. Главный недостаток — меньшее время отклика по сравнению с термопарой.

Рисунок 3.40. Датчик RTD.

Температура плавления — обзор

5.

Точка плавления твердого тела — это температура, при которой давление пара твердого тела и жидкости одинаково. В точке плавления твердая и жидкая фазы находятся в равновесии.Точка плавления (иногда называемая точкой разжижения) — это точка, в которой химическое вещество переходит из твердого состояния в жидкое, а в точке плавления твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Температура плавления вещества зависит от давления и обычно указывается при стандартном давлении, например 1 атм (14,7 фунта на квадратный дюйм). Когда фазовое изменение обращено (то есть из жидкой фазы в твердую), температура, при которой происходит это фазовое изменение, называется точкой замерзания или точкой кристаллизации.Из-за способности некоторых веществ к переохлаждению точка замерзания не всегда считается характерным свойством вещества.

Температуры плавления производных алканов следуют той же тенденции, что и температуры кипения производных алканов (таблица 9. 2, рис. 9.1) по той же причине, что указана выше. То есть (при прочих равных), чем больше молекула, тем выше температура плавления. Есть одно существенное различие между температурами кипения и плавления.Твердые тела имеют более жесткую и фиксированную структуру, чем жидкости. Эта жесткая конструкция требует энергии для разрушения. Таким образом, для разрушения более прочных, лучше собранных твердых конструкций потребуется больше энергии. Для производных алканов нечетные производные алканов имеют более низкую тенденцию к температуре плавления, чем производные алканов с четными номерами (рис. 9.1). Производные алканов с четными номерами хорошо упаковываются в твердой фазе, образуя хорошо организованную структуру, для разрушения которой требуется больше энергии. Алкановые производные с нечетным числом упаковываются хуже, и поэтому более рыхлая организованная твердая структура упаковки требует меньше энергии для разрушения.

Точки плавления производных алканов с разветвленной цепью могут быть как выше, так и ниже, чем у соответствующих производных алканов с прямой цепью, опять же в зависимости от способности рассматриваемого алкана хорошо упаковываться в твердой фазе. Это особенно верно для производных изоалкана (2-метилизомеры), которые часто имеют температуры плавления выше, чем у линейных аналогов.

Производные углеводородов, которые являются жидкими при температуре окружающей среды, и проблемы, которые могут возникнуть в результате затвердевания при нормальном использовании, встречаются нечасто.Тем не менее, точка плавления — это тест (ASTM D87 и ASTM D127), который широко используется поставщиками воска и потребителями воска; он особенно применяется к парафиновым или кристаллическим парафинам. Количественное предсказание точки плавления чистых производных углеводородов затруднено, но точка плавления имеет тенденцию качественно повышаться с увеличением молекулярной массы и симметрии молекулы.

Незамещенные и симметрично замещенные соединения (например, бензол, циклогексан, p, -ксилол и нафталин) плавятся при более высоких температурах по сравнению с парафиновыми соединениями аналогичной молекулярной массы: несимметричные изомеры обычно плавятся при более низких температурах, чем производные алифатических углеводородов такой же молекулярной массы.

Ненасыщенность влияет на температуру плавления в основном за счет изменения симметрии; таким образом, этан (-172 ° C, -278 ° F) и этилен (-169,5 ° C, -273 ° F) различаются незначительно, но точки плавления циклогексана (6,2 ° C, 21 ° F) и циклогексена (-104 ° C, −155 ° F) сильно контрастируют. Все типы сильно несимметричных производных углеводородов трудно кристаллизовать; асимметрично разветвленные алифатические углеводородные производные с таким низким октановым числом и большинство замещенных циклических углеводородных производных составляют большую часть смазывающих фракций сырой нефти, кристаллизуются медленно, если вообще кристаллизуются, а при охлаждении просто принимают форму стекловидных твердых частиц.

Хотя точки плавления сырой нефти и нефтепродуктов имеют ограниченную полезность, за исключением оценки чистоты или, возможно, состава парафинов, обратный процесс, отверждение , привлек внимание в химии сырой нефти. Фактически, отверждение сырой нефти и сырых нефтепродуктов подразделяется на четыре категории, а именно: точка замерзания , точка застывания , точка помутнения и точка застывания .

Сырая нефть становится более или менее пластичной при охлаждении до достаточно низких температур. Это происходит из-за застывания различных углеводородных производных, составляющих нефть. Температура помутнения сырой нефти или неочищенного нефтепродукта — это температура, при которой парафиновый воск или другие затвердевающие соединения, присутствующие в масле, выглядят как помутнение, когда масло охлаждается в строго заданных условиях (ASTM D2500; ASTM D6751). По мере продолжения охлаждения вся сырая нефть и сырые нефтепродукты становятся все более и более вязкими, и поток становится все медленнее и медленнее.Температура потери текучести сырой нефти или сырого нефтепродукта — это самая низкая температура, при которой нефть льется или течет в строго заданных условиях, когда она охлаждается без нарушений со стандартной скоростью (ASTM D97).

Характеристики отверждения углеводородного или углеводородного топлива зависят от его марки или вида. Для пластичной смазки интерес представляет собой температура, при которой возникает текучесть, обычно известная как точка каплепадения . Точка каплепадения консистентной смазки — это температура, при которой консистентная смазка переходит из твердого пластичного состояния в жидкое состояние и начинает течь в условиях испытания (ASTM D56 и ASTM D2650).Для другого типа твердого пластика, включая вазелин и микрокристаллический воск, интерес представляют как точка плавления , так и точка застывания .

Температура плавления парафина — это температура, при которой воск становится достаточно жидким, чтобы упасть с термометра; точка застывания . — это температура, при которой расплавленный вазелин перестает течь, когда ему дают остыть в строго заданных условиях (ASTM D93). Для парафина представляет интерес температура застывания .Для таких целей точка плавления — это температура, при которой расплавленный парафиновый воск начинает затвердевать, о чем свидетельствует минимальная скорость изменения температуры при охлаждении в заданных условиях. Для чистых или по существу чистых производных углеводородов температура затвердевания — это точка замерзания, температура, при которой углеводород переходит из жидкого в твердое состояние.

При какой температуре соль плавит лед?

8 января 2017 г.

При температуре 30 градусов (F) один фунт соли (хлорида натрия) растопит 46 фунтов льда.Но по мере того, как температура падает, эффективность соли снижается до такой степени, что при понижении температуры около 10 градусов (F) и ниже соль почти не работает. ¹

Коммерчески доступные материалы для плавления льда включают соль (хлорид натрия), хлорид кальция и хлорид магния. Каждый ингредиент имеет свои преимущества и недостатки, но соль остается лучшим выбором для использования при температуре выше 15 градусов по Фаренгейту (-9,4 градуса по Цельсию). ²

Устойчивые крайне низкие температуры довольно редки для большей части страны, поэтому, если это произойдет с вами, и все, что у вас есть, — это соль, чтобы растопить лед, что вы можете сделать?

Хлорид магния и хлорид кальция остаются эффективными при таянии льда даже при очень низких температурах. Например, хлорид магния работает при температурах от -20 до -25 градусов.

Линия продуктов Diamond Crystal® предлагает несколько продуктов для плавления льда, эффективных при очень низких температурах. Jiffy Melt® Ice Melt Salt содержит специально разработанную смесь хлорида магния и хлорида натрия для быстрого плавления при температурах -10 ° F / -23 ° C. Flash Melt® Ice and Snow Melt — это простой выбор при температурах до -25 ° F / -31 ° C, поскольку он содержит хлорид кальция, который выделяет тепло при растворении и разжижении льда.

1 http://www.southcoasttoday.com/article/20140112/news/401120325

2 http://www.saltinstitute.org/news-articles/homeowners-liable-for-snow-ice-control/

¹ http: // травма.findlaw.com/torts-and-personal-injuries/conditions-leading-to-outdoor-slip-and-fall-accidents. html

При какой температуре соль тает лед?

На самом деле соль не тает лед! На самом деле происходит то, что когда соль посыпается на снег, температура замерзания воды (льда) понижается, поэтому снег или лед тают.

Это объясняет, почему, при прочих равных, температура замерзания льда составляет 0 градусов по Цельсию, а температура замерзания морской воды (которая является соленой из-за наличия в ней соли) ниже (-2.2 градуса Цельсия).

Так как соль попадает на наши дороги, точка замерзания льда (в снегу) понижается, поэтому снег или лед тают.

Песок: битва за соль против льда

При понижении температуры вам нужно больше соли на каждый фунт льда, который вы хотите растопить.

При температуре -1 ^o C один фунт соли растопит 46 фунтов льда.

А в «эвтектической» точке соль вообще не тает лед (-21 ^o C).

Что общего у мороженого с солью?

Интересный факт: для приготовления мороженого нужно добавить соль. Почему?

Лед тает и нагревается еще до завершения приготовления мороженого.

Итак, в этот летний день стоит выделить минутку, чтобы поблагодарить за соль, которая защищает дороги и тропинки зимой и сохраняет прохладу летом.

Виды соли

Есть два основных типа соли, которые используются для таяния льда, каменная соль и морская соль.

Каменная соль имеет тенденцию быть коричневой, а морская соль — чисто белой.

Каменная соль является наиболее распространенной из этих двух и широко используется муниципалитетами Великобритании.

Морская соль, как правило, используется профессиональными операторами, поскольку она имеет более высокий процент NaCl, а также не оставляет никаких остатков, которые необходимо удалить.

Сколько соли используется в Великобритании?

Ежегодно на дороги Великобритании разбрасывается более двух миллионов тонн соли, что обходится более чем в 150 миллионов фунтов стерлингов в год.

Большая часть из них приходится на автомагистрали, магистральные дороги и основные дороги, и менее трети приходится на небольшие проселочные дороги.

Исследования показали, что на каждый 1 фунт стерлингов, израсходованный на содержание дорог в зимнее время, экономится около 8 фунтов стерлингов в экономике в целом.

И это даже без учета потенциальной человеческой трагедии.

Стоимость аварии или смертельного исхода на дорогах огромна, если в нее включены такие статьи, как расходы на здравоохранение и юридические услуги.

Исследование материалов с самой высокой температурой плавления: исследование лазерного плавления системы TaC-HfC

Термический анализ лазерного плавления

Эксперимент по лазерному нагреву состоял из четырех последовательных лазерных импульсов, начиная с импульса малой мощности, удерживаемого в течение длительного времени время (обычно 1000 мс), а затем мощность последующих импульсов увеличивалась, но сокращалось время удержания (обычно несколько сотен мс). Этап предварительного нагрева и последовательные импульсы были задуманы так, чтобы минимизировать термические напряжения и риск механического разрушения образцов.Выходные сигналы лазерного эксперимента для TaC _1.00 показаны на рис. 2а, термограмма (черная линия) показывает температуру образца во время цикла лазерного нагрева и охлаждения, профиль выходной мощности лазера представляет собой красный сигнал, а Сигнал RLS (синий) показывает, что плавление происходило в течение первых трех лазерных импульсов, в то время как для последнего импульса фазовых превращений не наблюдалось. Для того, чтобы вызвать выраженную остановку замерзания, было недостаточно кратковременного превышения температуры плавления.Пришлось расплавить достаточно большую массу, например, с помощью более длинного лазерного импульса. Колебания RLS и термическая остановка на участке охлаждения термограммы подтвердили, что образец расплавился и повторно затвердел. Трудно идентифицировать плавление образца, используя только термограмму, поскольку, как предсказано численным моделированием экспериментов ¹¹ , из-за сильно неоднородного (поверхностного) характера лазерного нагрева во время быстрого нагрева не наблюдается тепловой остановки. .В этих случаях может быть видно только слабое изменение скорости нагрева поверхности, вызванное продвижением фронта плавления в образец, который потребляет часть переданной лазерной энергии по мере плавления большего количества материала. Следовательно, начало плавления часто легче идентифицировать с помощью сигнала RLS. Шум, наблюдаемый после плавления при самых высоких температурах, в некоторых случаях может быть вызван кипением поверхности образца ¹⁰ . Поскольку никаких дальнейших перегибов во время нагревания или охлаждения не наблюдалось, можно сделать вывод, что в пределах текущих экспериментальных неопределенностей TaC плавится конгруэнтно и не показывает дальнейших фазовых изменений ниже температуры плавления.Дальнейший анализ явной термической остановки затвердевания показал, что T _m TaC _1,00 был (4041 ± 77) K с использованием значения Deadmore NSE 0,52 с относительной погрешностью 10%. Здесь и в остальной части этой работы диапазоны неопределенности вычисляются с использованием закона распространения ошибок [11], считая независимыми неопределенности, связанные с NSE, разбросом данных и калибровкой пирометра. Во время плавления визуально наблюдался значительный объем пара, что связано с нарушением формы термограммы при самых высоких температурах ¹⁴ .Однако испарение не было проблемой для наблюдаемых температур плавления / замерзания, поскольку они показали удовлетворительную воспроизводимость с 12 лазерными выстрелами, выполненными на каждом образце с разным пиковым импульсом и длительностью. Геометрия эксперимента была задумана таким образом, чтобы паровой шлейф, развивающийся параллельно поверхности к верхней и более холодной частям диска, не мешал оптическому измерению температуры, выполняемому в самой горячей зоне и перпендикулярно ей.Были выполнены последовательности из четырех последовательных импульсов. Между импульсами образец никогда не охлаждали до температуры ниже 1500 К. Это помогло снизить термические напряжения и сохранить механическую целостность материала на протяжении испытаний. В текущих испытаниях длительность последовательных лазерных импульсов варьировалась до десяти раз, а их мощность — до двух раз. Использование лазерных импульсов с различной пиковой мощностью и длительностью было хорошим способом проверить, что переходы твердое тело / жидкость происходили при термодинамическом равновесии и что образование пара оказало незначительное влияние на зарегистрированные температуры плавления / затвердевания.Наблюдаемые температуры фазового перехода действительно не зависели, в пределах экспериментальной неопределенности, от мощности и длительности лазерного импульса, тогда как, конечно, более длинные и более мощные лазерные импульсы подразумевали более высокую пиковую температуру, более длительное время пребывания после плавления, большее образование пара и т. Д. Для проведения дополнительных испытаний возможной интерференции парового факела с пирометрическими измерениями температуры было выполнено больше лазерных импульсов с более высокой пиковой мощностью. В этих испытаниях (результаты не показаны в этой статье) максимальные температуры, превышающие 6000 К, были достигнуты в течение нескольких десятков мс, что, как следствие, привело к большому образованию пара. Тем не менее, даже в этих крайних случаях остановки затвердевания наблюдались при тех же температурах, что и зарегистрированные в более стандартных экспериментах, в пределах неопределенности.

Термограмма, профиль лазерного импульса и производная RLS расплавленного лазера.

( a ) TaC _1,00 ; ( b ) Ta _0,8 Hf _0,2 C; и (c ) HfC _0,98 . Термограмма (черная линия) показывает температуру образца, синий сигнал — производная RLS, в которой фазовые переходы обнаруживаются по колебаниям / колебаниям в сигнале.Красный сигнал — это профиль выходной мощности лазера.

Аналогичным образом образцы Ta _0,8 Hf _0,2 C были испытаны при тех же профилях лазера, что и TaC _1,00 (рис. 2b). Сравнивая профили TaC _1,00 и Ta _0,8 Hf _0,2 C, было обнаружено, что при одинаковых тепловых условиях Ta _0,8 Hf _0,2 C плавится быстрее, чем TaC _1,00 (на ~ 300 мс раньше) при (4178 ± 82) К с использованием значения Deadmore NSE 0. 47 с относительной погрешностью 10%. При более высоких температурах сигнал RLS был меньше нарушен по сравнению с сигналом TaC, и, следовательно, меньше испарение во время плавления. После окончания лазерного импульса образец охладился естественным образом, и при термической остановке возник небольшой эффект переохлаждения. Этот эффект является обычным в условиях быстрого замораживания и связан с кинетикой затвердевания (зародышеобразование и рост) ¹⁴ . Здесь следует отметить, что наблюдаемые термические остановки соответствуют температуре солидуса, которая наиболее актуальна для технологических приложений, поскольку отмечает начало плавления и предел термической стабильности этих материалов.К сожалению, при нынешних условиях и неопределенности невозможно различить переход ликвидуса на настоящих термограммах. Аналогичные эксперименты были проведены на образцах Ta _0,5 Hf _0,5 C и Ta _0,2 Hf _0,8 C, и зарегистрированные температуры плавления составили (4077 ± 78) К и (4120 ± 80) К на основе значений Deadmore NSE. 0,55 и 0,56 соответственно, и такая же предполагаемая относительная погрешность NSE 10%.

Во время начального импульса HfC _0.98 экспериментов по плавлению было обнаружено, что для плавления карбида гафния требуется меньшая мощность лазера по сравнению с образцами аналогичной формы и объема всех предыдущих составов (рис. 2c). Первоначальный лазерный импульс с выходной плотностью мощности 256 МВт · м ^-2 (1810 Вт в круглом фокусном пятне диаметром 3 мм) требовался для расплавления образца, по сравнению с 350 МВт · м ^-2 , необходимыми для расплав TaC _1,00 . Плавление образцов HfC _0,98 достигалось также при промежуточных и коротких импульсах.Более низкий коэффициент температуропроводности ²⁴ HfC по сравнению с TaC вызывает более высокую концентрацию тепла на поверхности образца, что приводит к более высоким температурам при более низкой приложенной мощности. Кроме того, в чистом карбиде гафния наблюдалось гораздо меньшее испарение по сравнению со всеми другими композициями, судя по размеру следов пара, видимых на держателе образца над образцом после экспериментов по плавлению. Скорее всего, избыточная мощность, необходимая для нагрева других композиций, в значительной степени рассеивалась при испарении образца.Однако для плавления образцов HfC требовались более высокие температуры. Изменение наклона термограммы наблюдалось по мере того, как образец начинал плавиться (рис. 3а), с меньшим испарением, наблюдаемым на стадии плавления, и с четкой термической остановкой во время стадии охлаждения. При значении Deadmore NSE 0,5 и относительной погрешности 10% температура плавления, измеренная для HfC _0,98 , составила (4232 ± 84) К, самое высокое значение, измеренное в системе Ta-Hf-C. Сравнение термограмм первого лазерного выстрела на HfC, TaC и Ta _0.8 Hf _0,2 C показано на рис. 3б.

( a ) Термограмма и RLS расплавленного лазером HfC _0,98 и ( b ) сравнение термограмм, записанных в ходе экспериментов, проведенных на TaC _1,00 , HfC _0,98 и Ta _0,8 Hf _0,2 C. Образцы.

Результаты представлены на рис. 4a. Они показывают, что в пределах неопределенности значений NSE Дэдмора действительно может существовать локальная максимальная температура плавления твердых растворов вблизи Ta _0.8 Hf _0,2 Состав C, при 4178 К, что хорошо согласуется со значением, указанным Agte и Alterthum ⁴ . Однако эта максимальная температура плавления является только локальной, поскольку максимальная наблюдаемая температура плавления в системе Ta-Hf-C составляет для HfC _0,98 , при 4232 К. Кроме того, в отличие от предыдущих экспериментальных отчетов, T _m Содержание TaC, измеренное в этом исследовании, было самым низким в системе Ta-Hf-C при 4041 К. Промежуточные составы между Ta _0,8 Hf _0.2 C и HfC _0,98 имеют более высокие температуры перехода твердое тело / жидкость, чем чистый TaC. Наивысшая температура плавления, о которой ранее сообщалось для HfC _0,94 , составляет 4201 К, а самая высокая температура плавления для любого соединения составляет 4256 К для TaC _0,88 , обе температуры определены Руди ⁵ . Гусев и др. . ⁸ сообщил о тенденции, аналогичной результатам Руди ⁵ , но с немного более высокими значениями (таблица 1), однако их значения были получены из термодинамических расчетов.Тенденция, полученная в нашей работе, аналогична тенденции, предсказанной Хонгом и ван де Валлем ⁹ с HfC _0,81 , имеющим самую высокую температуру плавления, TaC _0,88 , самую низкую, и с локальным максимумом для Ta _0,8 Hf _0,2 C.

( a ) Экспериментальные температуры плавления ( T _m ), полученные путем корректировки текущих температур яркости с данными по излучательной способности Дэдмора в системе TaC-HfC в зависимости от содержания HfC, и ( b ) нормированное тепловое излучение, измеренное многоканальным спектропирометром при температурах замерзания пяти составов, исследованных в данной работе.

На рис. 4b представлены спектры яркости, зарегистрированные между 515 и 900 нм при остановке затвердевания для исследуемых композиций. Они охватывают большую часть видимого диапазона, где, согласно уравнению 1 Планка, максимальное значение и значительная часть общего теплового излучения излучаются ²⁵ при текущих температурах плавления / затвердевания, и они включают длину волны максимальной тепловой яркости при этих температурах. температуры. Интересно, что спектры яркости при температуре затвердевания лишь частично следуют тенденции, представленной на рис.4а для температур плавления / замерзания, рассчитанных на основе измеренных температур яркости на длине волны 650 нм и значений NSE, сообщенных Дэдмором. В соответствующих точках плавления / затвердевания чистый карбид гафния действительно излучает самую высокую яркость, а чистый карбид тантала — самую низкую, что согласуется с температурными данными, представленными на рис. 4a. Однако с точки зрения яркости затвердевания ниже 700 нм смешанные композиции демонстрируют довольно монотонный рост при переходе от композиций с более высоким содержанием Ta к композициям с более высоким содержанием Hf. Следовательно, существование локальной максимальной температуры плавления для Ta _0,8 Hf _0,2 C не очевидно из спектров яркости. Кроме того, монотонный тренд спектральной яркости в зависимости от состава, по-видимому, нарушается на более длинных волнах спектром яркости Ta _0,5 Hf _0,5 C при остановке затвердевания, который сначала превышает таковой для Ta _0,8 Hf _0,2 C, а затем HfC на длинах волн более 700 и 850 нм соответственно.Причина должна заключаться в зависимости NSE от состава и длины волны, и нельзя сделать определенные выводы об абсолютных температурах плавления / затвердевания без прямого измерения NSE на месте , что является чрезвычайно сложной задачей, если учесть экстремальные температуры. вовлеченный. С другой стороны, наблюдаемая связь между излучательной способностью образца и существованием локальной максимальной температуры плавления / затвердевания может быть воспринята как дополнительный экспериментальный намек в пользу гипотезы Хонга и ван де Валле ⁹ о том, что положение Уровень Ферми в композициях Ta-Hf-C напрямую влияет на их температуру плавления. Это, безусловно, должно стимулировать дальнейшие экспериментальные исследования в соответствии с теоретическим предсказанием Хонга и Ван де Валле, основанным также на соображениях энтропии жидкой фазы, что смешанные составы Ta-Hf-CN могут иметь даже более высокие температуры плавления, чем те, которые были оценены для тройного Ta- Система Hf-C.

Наконец, текущие результаты, показанные на рис. 4a и b, гарантируют, что чистый карбид гафния может удерживать соединение, излучающее наивысшую интенсивность излучения при его температуре плавления, по крайней мере, в исследуемом здесь спектральном диапазоне.Это, безусловно, самая полезная информация, учитывая его использование в качестве огнеупорного материала.

Характеристики после плавления

Образцы были охарактеризованы после экспериментов по плавлению. Фотография образцов после плавления показана на рис. 5. После 8 лазерных импульсов образец TaC _1,00 (рис. 5а) показал отделение материала от основного материала вокруг ванны расплава, яркую ванну расплавленного и повторно замороженного материала на центр образца наблюдался. Кроме того, Ta _{0.Таблетка 8} Hf _0,2 C (рис. 5b) показала лучшую механическую стойкость к лазерным импульсам, чем другие составы, образец сохранял свою форму даже после 12 последовательных циклов лазерного выстрела. Округленная область ванны расплава ок. 3 мм с вздутым участком в центре образца. Кроме того, образовывались радиальные трещины, возникающие в фокусном пятне лазера и распространяющиеся к краю образца. В ходе экспериментов по лазерному плавлению на образце HfC _0,98 были нанесены серьезные повреждения.Ванна расплава, покрывающая всю поверхность и имеющая кратерообразную форму, показана на рис. 5c. Во время лазерного нагрева части образца отделились и отвалились от образца из-за высокой пористости (около 15%). В некоторых экспериментах термограмма показывала сбои из-за падения объемного материала с поверхности образца. Это стабилизировалось после нескольких лазерных выстрелов, когда после плавления и замораживания материала была получена более плотная поверхность.

Фотографии образцов, наплавленных лазером.

( a ) TaC _1,00 ; ( b ) Ta _0,8 Hf _0,2 C; и (c ) HfC _0,98 .

Кроме того, SEM-анализ был проведен на образцах после плавления. На изображении BSE на рис. 6а показан расплавленный образец TaC _1.00 после экспериментов по лазерному нагреву. Центр образца представляет собой ванну расплава, окруженную нерасплавленным сыпучим материалом. В центре ванны расплава можно наблюдать кратер в том месте, где был наведен фокус лазера.Область, окружающая пустоту или кратер (рис. 6б), показывает рекристаллизованные зерна после замораживания. Морфология зерен после замораживания имеет волнистую поверхность. Эта морфология однородна по всей ванне расплава, и одно зерно можно наблюдать при большем увеличении на рис. 6с.

Изображение BSE TaC _1,00 после лазерно-индуцированного плавления.

( a ) ванна расплава; ( b ) морфология зерен после плавления; и ( c ) большее увеличение зерна после плавления.

Расплавленная область образца Ta _0,8 Hf _0,2 C показана на рис. 7а, на котором видна круглая область расплавленного материала с набухшей областью в центре. Трещины наблюдались начиная с фокуса лазера и распространялись радиально к внешним областям образца. После последовательного плавления одного и того же пятна образовалась дендритная структура. На рис. 7б рядом с дендритной структурой образовались трещины. Когда материал, окружающий дендриты, замерз, на поверхности рекристаллизованных зерен образовывалась рябь (рис.7в). Также обнаружено изменение морфологии зерна от набухшей до зоны термического влияния (т.е. не расплавленной) с тремя различными участками; удлиненные зерна с рифленой поверхностью, затем переходная зона с равноосными зернами и, наконец, область с зернами с комками или пиками на каждом зерне (рис. 7d).

Изображение BSE затвердевшей ванны расплава Ta _0,8 Hf _0,2 C; ( a ) опухшая область около центра лазерной фокальной точки с трещинами на поверхности; ( b ) дендритная микроструктура после многократного плавления; ( c ) рябь на поверхности вблизи точки фокусировки лазера; и ( d ) изменение морфологии зерна от набухшей области до зоны термического влияния.

BSE изображение расплавленного HfC _0,98 показывает на рис. 8a ванну расплава образца, которая составляет всю верхнюю поверхность образца после серьезного повреждения, вызванного повторными экспериментами по плавлению. Область, обозначенная белым овалом (рис. 8а), показывает точку фокусировки луча, в которой была сосредоточена наибольшая тепловая нагрузка. Он имеет дендритную структуру, образовавшуюся после последовательного плавления и замораживания одного и того же пятна. На увеличенном изображении (рис. 8б) показаны сформированные дендритные структуры с междендритными пустотами, показанными черным контрастом.Квадрат, показанный на фиг. 8a и увеличенный на фиг. 8c, показывает расплавленную поверхность за пределами дендритной области, в которой рекристаллизованные равноосные зерна образовались после замерзания расплавленной поверхности. Эта морфология однородна по всей ванне расплава, окружающей дендритную область.

Изображение BSE ванны расплава HfC _0,98 : ( a ) ванна расплава; ( b ) образовали дендриты после многократного плавления; и ( c ) морфология зерен вокруг дендритной структуры.

Важной проблемой в экспериментах по плавлению является возникновение фазовых превращений, отличных от твердо-жидких. Из-за испарения углеродных продуктов и возможного снижения содержания углерода возможно образование гексагональной фазы Ta ₂ C или других фаз Ta-C. Эта ситуация не вызывает беспокойства в HfC, где карбид имеет широкий диапазон нестехиометрии при высоких температурах и не образует карбиды низшего порядка ⁵ .