Heat capacities and thermal expansion coefficients of iron triad metals

Сергей Владимирович Терехов

doi:10.17308/kcmf.2023.25/11265

Сергей Владимирович Терехов ГБУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина» ул. Р. Люксембург, 72, Донецк 83114, ДНР, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3037-7258

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11265

Ключевые слова: термодинамическая модель, параметр порядка, структурная перестройка, полиморфные превращения, переходной металл

Аннотация

Одной из сложных проблем термодинамики вещества является адекватное описание его тепловых свойств. Например, модели Эйнштейна и Дебая (а также их различные модификации) рассчитывают теплоемкость только при учете механических колебаний решетки. Это приводит к невозможности описания возрастания теплоемкости с ростом температуры для большинства веществ, в том числе металлов триады железа. Кроме того, не существует ни одного теоретического построения, способного провести расчет температурных зависимостей теплоемкости и коэффициента теплового расширения при протекании в системе полиморфных превращений и структурных, магнитных и других фазовых переходов. Они проявляются на графиках в виде конечных скачков, пиков и ям. В результате возникает необходимость развития нового подхода к расчету тепловых характеристик. Он должен учитывать возникновение локального равновесия в малых областях в изначально неравновесных образцах металлов для исследования. Неравновесность образца может обуславливаться наличием в нем примесных атомов, дефектов, летучих компонентов, остаточными напряжениями, протеканием необратимых процессов и т. д. Экспериментаторы для аналитического описания массивов измеренных величин используют на разных температурных интервалах различающиеся степенные выражения, иногда с отрицательными степенями. Такие теоретический и экспериментальный подходы не могут считаться удовлетворительными. В этой связи для построения новой модели
требуется выбор таких величин, которые были бы чувствительными к изменениям состояния системы. В рамках предложенной модели двухфазной локально-равновесной области такими величинами являются абсолютная температура системы, параметр порядка в виде разности объемных долей сосуществующих идеальных фаз, фазовый состав упорядочивающейся фазы и его производная по температуре. Развитая модель позволяет вычислить температурные зависимости теплоемкостей и коэффициентов теплового линейного расширения триады железа (Fe, Co, Ni) при изменении агрегатного состояния (кристалл – жидкость), наличии структурных, магнитных и других фазовых переходов.
Показано, что используемые выражения адекватно описывают экспериментальные данные в широком интервале температур, а также позволяют продлить построенные кривые на экспериментально неисследованные области. Установлен возможный структурный переход в кобальте при температуре порядка 1600 K, для подтверждения существования которого требуется проведение дополнительных экспериментов. Полученные соотношения отличаются простотой и универсальностью их применимости, они могут использоваться при создании автоматическо-
го расчета теплофизических свойств не только металлов триады железа, но и других твердых веществ

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биография автора

Сергей Владимирович Терехов , ГБУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина» ул. Р. Люксембург, 72, Донецк 83114, ДНР, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, вед. н. с. отдела электронных свойств металлов, ГБУ «Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина» (Донецк, ДНР, Российская Федерация)

Литература

Novitsky L. A., Kozhevnikov I. G. Thermophysical properties of materials at low temperatures*. Handbook. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1975. 216 p. (in Russ.)

Zinoviev V. E. Thermophysical properties of metals at high temperatures*. Handbook. Moscow: Metallurgiya Publ., 1989. 384 p. (in Russ.)

Dorogokupets P. I., Sokolova, T. S., Litasov K. D. Thermodynamic properties of bcc-Fe to melting temperature and pressure to 15 GPa. Geodynamics & Tectonophysics. 2014:5(4): 1033–1044. https://doi.org/10.5800/gt-2014-5-4-0166

Desai P. D. Thermodynamic properties of iron and silicon. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1986;15(3): 967–983. https://doi.org/10.1063/1.555761

Dinsdale A. T. SGTE data for pure elements. Calphad. 1991;15(4): 317–425. https://doi.org/10.1016/0364-5916(91)90030-n

Chen Q., Sundman B. Modeling of thermodynamic properties for bcc, fcc, liquid, and amorphous iron. Journal of Phase Equilibria. 2001;22(6): 631–644. https://doi.org/10.1007/s11669-001-0027-9

Gamsjäger H., Bugajski J., Gajda T., Lemire R. J., Preis W. Errata for the 2005 review on the chemical thermodynamics of nickel. In: Mompean F. J., Illemassène M. (Eds.) Chemical Thermodynamics. Vol. 6. Nuclear Energy Agency Data Bank, Organisation for Economic Co-operation and Development, North Holland Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, The Netherlands. Amsterdam: Elsevier, 2005. 616 p. Available at: https://oecd-nea.org/dbtdb/pubs/Errata_Nickel.pdf

Li Z., Mao H., Selleby M. Thermodynamic modeling of pure Co accounting two magnetic states for the Fcc phase. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2018;39(5): 502–509. https://doi.org/10.1007/s11669-018-0656-x

Bubnova R. S., Filatov S. K. Thermoradiography of polycrystals. Part II. Determination of quantitative characteristics of the thermal expansion tensor*. St. Petersburg: S.-Pb. State University Publ., 2013. 143 p. (in Russ.)

Khodakovsky I. L. About new semi-empirical equations of temperature dependence of heat capacity and volume coefficient of thermal expansion of minerals*. In: Tsekhonya T. I., Sirotkina, E. A. (Eds.). Proceedings of the ASEMPG-2012. Vestnik Otdelenia nauk o Zemle RAN. 2012;4(9): NZ9001. (in Russ.). https://doi.org/10.2205/2012nz_asempg

Saunders N., Miodownik A. P. CALPHAD (calculation of phase diagrams): a comprehensive guide. V. 1. Pergamon: Elsevier Science Ltd, 1998. 479 p. https://doi.org/10.1016/s1470-1804(98)80034-5

Lukas H. L., Fries S. G., Sundman B. Computational Thermodynamics: The Calphad Method. Cambridge: Cambridge University Press The Edinburgh Building, 2007. 313 p.

Gilev S. D. Low-parametric equation of state of aluminum. High Temperature. 2020;58(2): 166–172. https://doi.org/10.1134/s0018151x20020078

Terekhov S. V. Thermodynamic model of a blurred phase transition in the Fe40Ni40P14B6 glass. Physics and High Pressure Technology. 2018;28(1): 54–61. (in Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32664811

Terekhov S. V. Blurred phase transition in the Fe40Ni40P14 B6 amorphous alloy: thermodynamics of phases and kinetics of crystallization. Physics and High Pressure Technology. 2019;29(2): 24–39. (in Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38479797

Terekhov S. V. Single- and multistage crystallization of amorphous alloys. Physics of Metals and Metallography. 2020;121(7): 664–669. https://doi.org/10.1134/s0031918x20070108

Terehov S. V. Thermal properties of matter within the model of a two-phase system. Physics of the Solid State. 2022;64(8): 1089. https://doi.org/10.21883/pss.2022.08.54631.352

Terehov S. V. Iffuse phase transition and heat capacity of a solid. Physics and High Pressure Technology. 2022;32(2): 36–51. (in Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48746674

Terekhov S. V. Heat capacity and thermal expansion of matter*. Handbook. Donetsk: DonFTI im. A. A. Galkina Publ., 2022. 168 p. (in Russ.)

Kubo R. Thermodynamics. North-Holland Publishing Company: 1968. 310 p.

Livshits B. G., Kraposhin V. S., Lipetsky Ya. L. Physical properties of metals and alloys*. Moscow: Metallurgiya Publ., 1980. 320 p. (in Russ.)

Meschter P. J., Wright J. W., Brooks C. R., Kollie T. G. Physical contributions to the heat capacity of Nickel, Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1981;42(9): 861–871. https://doi.org/10.1016/0022-3697(81)90174-8

Bodryakov V. Yu. (2020). Isolation of the magnetic contribution to the thermal expansion of nickel at ferromagnetic transformation on the base of analysis of b(CP) correlation dependence. High Temperature. 2020;58(2): 213–217. https://doi.org/10.1134/s0018151x20020042

Kittel C. Elementary solid state physics: A short course. N.Y., London: John Wiley & Sons Publ., 1962. 339 p.

Rolov B. N., Yurkevich V. E. Physics of diffuse phase transitions*. Rostov-on-Don: RGU Publ., 1983. 320 p. (in Russ.)

Aliyev S. A. Blurring of phase transitions in semiconductors and high-temperature superconductors*. Baku: Elm Publ., 2007. 286 p. (in Russ.)

Novikova S. I. Thermal expansion of solid*. Moscow: Nauka Publ., 1974. 292 p. (in Russ.)

Epifanov G. I. Solid state physics*. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 1977. 288 p. (in Russ.)

Kingery W. D. Introduction to ceramics. New York: Wiley, 1960. 1065 p.

Terekhov S. V. Thermal changes in the state of metal glasses. Physics and High Pressure Technology. 2020;30(1): 5–16. (in Russ.) Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42627413

Sheludyak Yu. E., Kashporov L. Ya., Malinin L. A., Tsalkov V. N. Thermophysical properties of combustible system components*. Handbook. Moscow: NPO «Informatsiya i tekhniko-ekonomicheskie issledovaniya» Publ., 1992. 184 p. (in Russ.)

Element properties*. Handbook. M. E. Dritz (ed.). Moscow: Metallurgiya, 1985. 672 p. (in Russ.)