Solidificacion

La solidificacion es l'operacion (mai o mens reversibla) pendent que un liquid passa a l'estat solid.

Aquò pòt se far per refrigerar (cas mai corrent), per aument de la pression, par cristallisacion, per catalisi o alara per una combinason d'aqueles fenomèns. La congelacion pòt tanben permetre la solidificacion d'unes fluids (l'aiga per exemple).

La solidificacion de l'aiga pura se fa a una temperatura de 0 0 °C.

Enjòcs industrials

I a fòrça enjòcs e aplicacions industrials de bona compreneson e mestresa dels fenomèns de solidificacion: colada de contunh d'acièr, creissença del Si per l'electronica, motlatge d'implants dentaris...

La solidificacion se fa mai sovent per precipitacion o cristallizacion a partir de la formacion de gèrmes de fasa solida al sen del liquid (germinacion, nucleation en Anglés) puèi creissença d'aqueles gèrmes; amb donc una distribucion novèla d'elements quimics (quand la matèria es pas monoelementària).

A pression constanta, la solidificacion dels còrs purs se fa a temperatura constanta, la calor liberada per la solidificacion (calor latenta de fusion) compensa la calor perduda pel refregiment. Los transferiments termics son d'espereles modificats pels cambiaments de proprietat de la matèria associats al cambiament de fasa^[1].

Dins lo cas d'una mescla de còrs purs, la temperatura bassa en general pendent la solidificacion (levat dins lo cas dels eutectics).

Subrefusion

La corba de refregiment es en realitat leugièrament diferenta. La temperatura del liquid passa en dejós de la temperatura de fusion, puèi torna pujar subte per formar un replan. Aque se nomena la subrefusion.

La subrefusion se deu a l'energia d'interfàcia solid-liquid (tension superficiala). De biais simplificat, se pòt considerar que los pichons gèrmes de solid sont instables que son dissolguts pel revolum termica, cal esperar que lo liquid siá « mai calme » per que pòscan se formar. De biais mai rigorós, a vejaire termodinamic, l'energia liberada per la solidificacion (calor latenta de fusion) compensa pas l'energia gastada per crear l'interfàcia solid-liquid. Lo liquid contunha donc a se refrigerar sens solidificar.

Quand lo ganh d'energia sufís per compensar la creacion de l'interfàcia, los gèrmes se crean fòrça rapidament, e la calor liberada fa tornar pujar la temperatura. Puèi, los gèrmes creissopn lentament, çò que correspond al replan.

Lo ganh d'energia ven sufisent quand:

la temperatura es sufisentament bassa;
una impuretat ven diminuir l'energia d'interfàcia; es lo celèbre exemple dels cavals del lac Ladoga contada per Malaparte (1942).

Bilanç energetic

Consideram un gèrme esferic de rai r. I a un volum V de 4/3·π·r³, çòque correspond a la solidificacion d'una massa m = ρ·V sa ρ es la massa volumica del solid. L'energia E_V liberada es donc, L designant la calor latenta de fusion E_V = -L·m = -L·ρ·4/3·π·r³.

Aquel gèrme a una superfícia S = 4·π·r². Per lo crear, cal donc passar una energia E_S que val σ·S, ont σ es la tension superficiala. Avèm donc E_S = σ·4·π·r²

La creacion del gèrme es possible sonque se lo sistèma diminuís son l'energia, es a dire se E_V + E_S < 0 siá -L·ρ·4/3·π·r³ + σ·4·π·r² < 0 e donc se $r>{\frac {3\sigma }{\mathrm {L} \rho }}$ Modèl:Retrait

Coma σ diminuís amb la temperatura, los pichons gèrmes serán estables a bassa temperatura. Quand lo sistèma a just la temperatura de fusion, lo rai minim es tròp grand per qu'un gèrme pòsca se formar. Aquel rai critic pòt diminuir sonque se σ diminuís, donc o per l'arribada d'una impuretat, o per la diminucion de la temperatura. L'impuretat pòt tanben se conduire coma un pregèrme de rai sufisent.

Per favorizar la solidificacion, se pòt tanbne introduire un floculant (impuretat), o alara crear de mancas dins la paret del recipient (per exemple deos raias o de las asperitats).

Solidificacion d'un sistèma binari

Solidificacion a l'equilibri

Consideram un sistèma binari, es a dire una mescla de dos còrs purs A e B. Lo diagrama binari d'aquel sistèma permet de predire lo biais que la solidificacion va se passar. Prenèm per simplificar lo cas d'un sistèma de solucion solida unica.

Prenèm un liquid compausat de 100-C₀ % de fasa A e de C₀ % de fasa B (s'utiliza mai sovent de concentracions massicas).

Supausam aicí qu'a tot instant, tot le solid es a l'equilibri amb lo liquid, çò que significa entre autre que lo solid es omogenèu. En practica, aquò significa que la solidificacion es lenta, e que la difusion en fasa solida permet d'omogeneïzat lo solid (la conveccion permet d'omogeneïzar la fasa liquida).

Se plaça un liquid dins un motle, e se daissa la mescla refregir. A la temperatura T₁ definida per l'interseccion entre lo liquid e la drecha verticala correspondent a C₀, lo primièr gèrme solid se forma; se forma contra la paret del recipient qu'est la partida mai freja.

Aquel primièr gèrme es un solid a l'equilibri amb de liquid a T₁; se trapa donc sul solid, e a une concentracion C₁; remarcam que C₁ val gaireben 0, es de còrs A gaireben pur.

A una temperatura donada T₂, la drecha orizontala correspondent a aquela temperatura copa lo solid a una concentracion C_2s e lo liquid a una concentracion C_2l. A aquela temperatura, lo solid a una concentracion 100-C_2s de A; lo solid essent mai ric en A que la mescla iniciala, lo liquid s'apauriguèt e conten mai que 100-C_2l % de A.

A la fin de la solidificacion, lo solid a un taus 100-C₀ en A. Aquò determina la temperatura de fin de fusion T₃. La darrièra gota de liquid de solidificar a un taus 100-C_3l en A, fòrça fèble, es gaireben de B pur; coma lo solid es encara leugièrament mai ric en A que la mescla iniciala, aquela gota acaba de « diluir » A.

Règla dels palfèrs

Quand la solidificacion se fa a l'equilibri, lo diagrama de fasa permet de saber quina es la proporcion de mescla que solidifiquèt e quina proporcion demora liquida.

Per una temperatura T₂ donada, los cristals formats an una concentracion C_2s en A, e lo liquid a une concentracion C_2l en A. La proporcion de matèria jos forma liquida e solida es donada per la règla dels palfèrs:

Règle dels palfèrs — Consideram lo segment orizontal T = T2 jonhent lo solid e lo liquid; aquel segment es trencat per la drecha verticala C = C0, çò que forma dos segments de longor l1 e l2. Lo rapòrt de las longors dels segments l1/l2 atal definits dona lo rapòrt de las proporcions de liquid e de solid.

Es coma s'avèm une balança que le pivot es pas al centre del flagèl, un dels platèus portant lo liquid, l'autre lo solid (d'ont la refréncia al moment d'una fòrça).

Solidificacion fòra de l'equilibri

Ara, consideram que la solidificacion es tròp rapida per que la difusion permeta l'omogeneïzacion del solid. Alara, sola lo jaç superficial del solid al contacte amb lo liquid es a l'equilibri; la partida del solid jos aquel jaç superficial es isolat del liquid e contribuís donc pas a l'equilibri de solidificacion. Es coma se la concentracion C₀ evoluava pendent la solidificacion; en efièch, lo liquid s'apaurit en A e s'enriquit en B.

Coma precedentament, lo primièr gèrme es un solid a l'equilibri amb de liquid a T₁; se trapa donc sul soloid, e a una concentracion C1; remarcam que C₁ val gaireben 0, es de còrs A gaireben pur. Aqueles primièrs gèrmes se forman sus la paret del motle (la partida mai freja).

Lo liquid s'apaurit en A amb lo temps. Per una temperatura donada T₂, es pas lo solid en entièr qu'a una concentracion C_2s, mas sonque los gèrmes formats a aquel moment.

Lo liquid contunha a s'apaurir pendent la solidificacion, e los darrièrs gèrmes formats, que se trapan al centre del motle, son fòrça rics en B pur; la temperatura de fin de fusion T₃ es alara inferiora a la temperatura de solidificacion a l'equilibri.

Se vei que la pèça formada es eterogenèa; es la rason que los glaçons am de botiòlas a la mitat (l'aiga pura gèla suls costts e rebuta l'aire dissolgut cap al centre, fins al moment ont i a d'aire pur). Aquel fenomèn es nomenat segregacion.

Estructura cristallina

Dins lo cas ont lo solid format es cristallin, l'estructura del lingòt es mai sovent la seguenta:

just al bòrd, i a una prima zona d'estructura equiaxe, nomenada « pèl » (chill zone): los cristals son simetrics e isotròps (sens orientacion preferenciala) ;
puiè se fa una estructura colonària, nomenada « basaltica »: los cristals son alongats, perpendiculars a la paret, i a una orientacion cristallina preferenciala (texture);
dins de cases, s'obsèrva de dendritas;
al centre, una estructura equiaxe: los cristals son simetrics e isotròps (sens orientacion preferenciala).

Nòtas e referéncias

↑ Korti A (2013) Étude expérimentale et développement d'un simulateur des phénomènes de transfert thermique dans les métaux en voie de solidification (thèse de Doctorat, spécialité énergétique, soutenue à l'université de Tlemcem).

Vejatz tanben

Articles connèxes

Bibliografia

{{{títol}}}.

[1] Korti A (2013) Étude expérimentale et développement d'un simulateur des phénomènes de transfert thermique dans les métaux en voie de solidification (thèse de Doctorat, spécialité énergétique, soutenue à l'université de Tlemcem).

[1]