ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O Προφορικές εξετάσεις: Κάθε ομάδα ετοιμάζει μία παρουσίαση στο πρόγραμμα Power Point για ~60 λεπτά. Κάθε μέλος της ομάδας παρουσιάζει ένα από τα εξής μέρη: Πρόβλημα 1 - Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού - Η εξίσωση Clapeyron Πρόβλημα 2- Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού - Το θεώρημα του Le Chatelier Πρόβλημα 3 - Δυαδικά ισόμορφα συστήματα Πρόβλημα 4 - Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα Πρόβλημα 5 - Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Η ατομική παρουσίαση δεν θα πρέπει να διαρκέσει περισσότερο από 10 λεπτά και δεν θα πρέπει να περιέχει περισσότερα από 10 διαφάνειες. Μπορείτε να μοιράσετε τα μέρη μεταξύ σας κατά βούληση. OMADA SHB 20/10/2017 1

2 Πρόβλημα 1: Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (SO 2 ) - Η εξίσωση Clapeyron 1) Ποια είναι η κινητήρια δύναμη για την αλλαγή φάσεων; Εξηγείστε συνοπτικά. 2) Κατασκευάστε το διάγραμμα φάσεων SO 2 με τα δεδομένα τα οποία θα βρείτε στον παρακάτω πίνακα. a) Θα πρέπει να επιλέξετε ένα ημιλογαριθμικό διάγραμμα (lοg P T, Εξηγείστε γιατί). b) Εφαρμόστε την εξίσωση Clapeyron για την περίπτωση της εξάχνωσης και υπολογίστε την καμπύλη στερεού-αερίου στη γειτονία του τριπλού σημείου ( C). c) Συμπληρώστε το δικό σας διάγραμμα με αυτά τα αποτελέσματα. 3) H Ιώ είναι ο πιο εσωτερικός δορυφόρος των τεσσάρων δορυφόρων του Γαλιλαίου σε τροχιά γύρω από τον Δία. Είναι επίσης το πιο γεωλογικά ενεργό σώμα στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Η επιφάνειά του καλύπτεται με πάγο στερεού SO 2. Η ατμοσφαιρική πίεση στην Ιώ είναι 10 atm και η επιφανειακή θερμοκρασία είναι μεταξύ -180 και -160 C. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται στην Ιώ, το SO 2 λιώνει ή εξαχνούνται; 4) Η Ιώ έχει ένα καυτό λειωμένο πυρήνα από μάγμα. Ποια είναι η φυσική κατάσταση του SO2 αρκετές εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Ιούς, όπου η θερμοκρασία είναι 50 C και η πίεση αυξάνεται σε 1 atm; 5) Είναι δυνατόν να κάνουμε «παγοδρομίες» σε μια επιφάνεια στερεού SO 2; 6) Γιατί η καμπύλη υγρού-αερίου σε ένα διάγραμμα P T καταλήγει στο κρίσιμο σημείο; Θερμοκρασία, Τ/ o C Πίεση, P/bar Τριπλό σημείο -75,45 0,01674 Σημείο τήξης -73,15 1,013 Σημείο βρασμού -10,02 1,013 Κρίσιμο σημείο 157,5 78,84 τάση ατμών 20 3, , , ,400 Ενθαλπία τήξης (1,013 bar, Σημείο τήξης) Ενθαλπία εξάτμισης (1,013 bar Σημείο βρασμού) 8,619 kj/mol 25,73 kj/mol OMADA SHB 20/10/2017 2

3 Πρόβλημα 2: Τυπικό διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (S) - Το θεώρημα του Le Chatelier Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (S ) Κατάσταση V o 298 (cm 3 /mol) S o (J/mol K) S rhombic 15,49 31,73 S monoclinic 16,38 32,55 1) Εξηγείστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες..., Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά ενός διαγράμματος φάσεων για ένα συστατικό; Συμπληρώστε το σημείο τήξης και βρασμού; 2) Γιατί δεν υπάρχει ούτε ένα σημείο στο P-T διάγραμμα που δείχνει το στερεό S rhombic και το στερεό Smonoclinic σε ισορροπία με την υγρή και την αέρια φάση του S; 3) Εξετάστε την αντίδραση S rhombic S monoclinic. Χρησιμοποιήστε το θεώρημα του Le Chatelier να συζητήσετε τις απαντήσεις σας. Ποια φάση είναι σταθερή σε θερμοκρασία T = 25 C και πίεση p = 1 atm; Ποια στερεή φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή πίεση; Ποια στερεή φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή θερμοκρασία; 4) Σχηματίστε και περιγράψτε την κρυσταλλική δομή του Srhombic και Smonoclinic. 5) Τι σημαίνει πολυμορφισμός και αλλοτροπία; Ποια από τα παρακάτω είναι αλλότροπα: 16 O, 18 O, O2, O3, O, O 2-, O2, O2 2-. OMADA SHB 20/10/2017 3

4 Πρόβλημα 3: Δυαδικά ισόμορφα συστήματα 1) Ποιο από τα παρακάτω οξείδια έχει τη μεγαλύτερη διαλυτότητα σε Cr 2O 3; Εξηγείστε. Sm2O3 In2O3 Al2O3 2) Από τις ιδανικές καμπύλες ψύξης (διάγραμμα Τ vs t) προκύπτουν οι ακόλουθες τιμές στον παρακάτω πίνακα. Σχεδιάστε το διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος BaO-CaO. Ονομάστε τις φάσειςπεριοχές και τις καμπύλες. Mol% CaO T Liquidus/ o C T Solidus/ o C ) Παρουσιάστε το ίδιο διάγραμμα φάσεων αλλά σε πιο μεγάλη μεγέθυνση στην περιοχή όπου εντοπίζεται η σύσταση για ένα μίγμα αρχικής περιεκτικότητας 30 mole% CaO. a) Σχεδιάστε και εξετάστε μία καμπύλη ψύξης για αυτή την διφασική περιοχή. Γιατί οι πειραματικές καμπύλες ψύξης δεν είναι ακριβώς ευθείες γραμμές ούτε στις μονοφασικές περιοχές; b) Βρείτε την θερμοκρασία Liquidus και Solidus και το εύρος ψύξης. Εξετάστε τη χημική σύνθεση της στερεής και ρευστής φάσης στη θερμοκρασία Liquidus και Solidus και για μία θερμοκρασία στο εύρος ψύξης. Δείξτε τα αποτελέσματά σας σε μονάδες wt% (κατά βάρος) και υπολογίστε την μάζα του τήγματος και του στερεού για τις ίδιες θερμοκρασίες. Εφαρμόστε τον κανόνα του μοχλού. Παρουσιάστε τα αποτελέσματα b) σε ένα πίνακα. δεδομένα σε σελίδα OMADA SHB 20/10/2017 4

5 Πρόβλημα 4: Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα 1) Υπολογίστε τη μεταβολή της γραμμής Liquidus με τη θερμοκρασία για τα δυο συστατικά Au και Si και κατασκευάστε το διάγραμμα φάσεων μόνο με βάση τις δυο καμπύλες Liquidus (τύπος στα παρατήματα στο e-class «ΠΑΡΑΤΗΜΑ 2: Υπολογισμός διαγραμμάτων φάσεων από θερμοδυναμικά δεδομένα», δεδομένα σε σελίδα 2) Συγκρίνετε το δικό σας διάγραμμα με το παρακάτω διάγραμμα της βιβλιογραφίας. Βρείτε τα ευτηκτικά σημεία στα δυο διαγράμματα και εξηγείστε τη διαφορά με βάση τις παραδοχές που έχετε κάνει στον υπολογισμό της Liquidus. Υπολογίστε και την σχετική απόκλιση (θερμοκρασία και σύσταση) 3) Γιατί χρειαζόμαστε ευτηκτικά κράματα αντί ένα καθαρό μέταλλο/κεραμικό; Παρουσιάστε μια σύντομη εισαγωγή στη διαδικασία της κασσιτεροκόλλησης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Αναφέρετε τα πιο σημαντικά κράματα με βάση τον Sn. Βασικές Οδηγίες Κασσιτεροκόλλησης, Κ. Πίτρης, Properties of Solders MultiCore Solders MSL Ref.: /00, Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Au-Si OMADA SHB 20/10/2017 5

6 Πρόβλημα 5: Διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος 1) Εξηγείστε τους όρους: ατομική δομή, κράμα, πολυκρυσταλλικό υλικό. 2) Πώς ψύχεται μια ποσότητα ρευστού μετάλλου μέσα σε ένα ψυχρό καλούπι; 3) Σχεδιάστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα την θερμοκρασιακή μεταβολή της ενθαλπίας H για ένα συστατικό (στερεά-ρευστά-αέρια). Εξηγείστε συνοπτικά. Τι σημαίνει λανθάνουσα θερμότητα; 4) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων CaO-Al 2O 3. a) Ονομάστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες στο διάγραμμα. b) Αναφέρετε τα σημεία τήξης για τα καθαρά μέταλλα Α και Β, τα σημεία θερμοκρασίας-σύστασης στα οποία λαμβάνουν χώρα όλοι οι ευτηκτικοί, ευτηκτοειδείς και περιτηκτικοί μετασχηματισμοί. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τα ευρήματα σας (για κάθε μετασχηματισμός ένα παράδειγμα, αν υπάρχει). c) Σχηματίζουν Α και Β ένα στερεό διάλυμα; Αν ναι, πού βρίσκετε στο διάγραμμα την μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β (και του Β στο Α). Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. Θερμοκρασία τήξης Α Θερμοκρασία τήξης Β Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) Περιτηκτικό (peritectic) μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β μέγιστη διαλυτότητα του Β στο Α Γενική αντίδραση Ειδική αντίδραση / / / / Θερμοκρασία, T/ o C Παράδειγμα Σύσταση, x/wt% OMADA SHB 20/10/2017 6

7 Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος CaO-Al2O3 OMADA SHB 20/10/2017 7